IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/2004, Seite 34 ff.


SANITÄRTECHNIK


Legionellen - humanpathogene wassergängige Bakterien

Teil 6: Verfahrenstechnische Systeme zur Wassernachbehandlung

Prof. Dr. Dieter Kreysig*

Im abschließenden Teil dieser umfangreichen Artikelfolge werden in Ergänzung zum 5. Teil verschiedene verfahrenstechnische Systeme zur Wassernachbehandlung vorgestellt und ihre Wirkungsweise sowie Einsatzbereiche beschrieben.

Mechanische Keimseparation (Filtration)

Partikuläre Mikroorganismen können durch mechanische Abtrennung aus dem kontaminierten Wasser entfernt werden. Wegen ihrer Partikelgröße sind dafür Porenweiten von 0,3 mm erforderlich (Viren haben eine Größe von 10 ... 100 nm). Je nach angewendeter Filtertechnik verursachen derartige Keimfilter einen mehr oder minder starken hydraulischen Widerstand mit der Folge einer vom Differenzdruck abhängigen Durchflussbegrenzung. Da die Mikroorganismen auf/im Filter zwar zurückgehalten werden, dort aber durchaus vital bleiben und weiter vegetieren können, werden über Stoffwechselprodukte Exotoxine bzw. im Ergebnis ihrer Zerstörung auch Endotoxine an das durchfließende Wasser abgegeben, die den Nutzer erheblich gefährden können. Daher gilt, z.B. in Kranken- und Pflegeeinrichtungen, dass Keimfilter als endständiger Kontaminationsschutz in regelmäßigen Abständen (z.B. in einer Intensivstation alle 96 Stunden) zwangsgewechselt werden müssen, wobei Einwegfilter als seuchengefährdendes Gut zu behandeln sind (Sondermüll) und Mehrwegfilter einer Sterilisation mit anschließender Durchlasskontrolle unter Sterilbedingungen zu unterziehen sind. Inwieweit ein von einigen Filterherstellern propagiertes bloßes Rückspülen des Filters tatsächlich auf Dauer gesehen zuverlässige Desinfektionswirkung und Ausschluss toxischer Wasserbelastung (also auch die Beseitigung eines möglicherweise auf dem Filtermaterial angesiedelten Biofilms) gewährleistet, sollte in jedem Einzelfall kritisch hinterfragt und im Zweifelsfall durch mikrobiologische und toxikologische Verfahrensbegleitung untersucht werden. Schließlich verliert die mechanische Keimseparation aus fließendem Wasser ihre Wirksamkeit, wenn dieses nach dem Filter einen Installationsabschnitt durchströmt, in welchem ein pathogen besiedelter Biofilm existiert.

Bild 1: Installationsschema UV-Desinfektor.

Dies alles bedeutet, dass Keimfilter bei entsprechender Auslegung, Installationsart, Betriebsweise, Wartung usw. durchaus geeignet sind, in einem Installationssystem hygienische Probleme begrenzter Wassermengen nutzertypisch zu lösen. Für einen gebäudeübergreifenden systemischen Sanierungszweck dagegen ist die Filtration eher als ungeeignet einzustufen.

UV-Desinfektion

Ultraviolettes Licht besitzt eine zellinaktivierende, also keimtötende Wirkung mit einem Wirkungsoptimum um 260 nm. Licht dieser Wellenlänge steht nicht aus natürlichen irdischen Lichtquellen zur Verfügung. Mittels quecksilberdotierter Strahler, speziell der "Quecksilber-Niederdruckstrahler", ist UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm ( 254 nm) erzeugbar, dessen Inaktivierungswirkung gegenüber Mikroorganismen sehr dicht beim Wirkungsoptimum von UV-Strahlung liegt (Bild 2). Folglich ist es möglich, mit Strahlung dieser Wellenlänge Keime abzutöten und unter bestimmten Voraussetzungen Wasser gezielt zu desinfizieren [25].

Bild 2: Spektrale Wirkkurve von UV-Strahlung.

Die wesentliche Wirkung dieser UV-Strahlung als Energieform beruht auf folgendem Mechanismus: Die Nucleinsäure ("Erbsubstanz" und Informationsträger, DNS, DNA) als essenzieller Bestandteil jedes Mikroorganismus (z.B. Bakterienzelle) besteht aus Bausteinen, u. a. den so genannten "Nukleinbasen", in deren Art, Kombination und Anordnung innerhalb der DNS-Doppelhelix sämtliche Erbinformationen und Stoffwechselbefehle gespeichert sind. Die Vermehrung eines Mikroorganismus, die Zellteilung (im Falle pathogener Keime der eigentliche Infektionsprozess) beginnt immer mit einer Verdoppelung dieser Nukleinsäure (identische Replikation), damit die künftige "Tochterzelle" und die ursprüngliche "Mutterzelle" über dieselben Erbinformationen und Stoffwechselbefehle verfügen. Die mikrobizid wirkende UV-Strahlung (beispielsweise der von einem Hg-Niederdruck-Strahler emittierten Wellenlänge von 254 nm) verursacht infolge ihrer Absorption durch die Nukleinsäure in derselben photochemische Reaktionen an einer bestimmten Art Nukleinbasen, mit der Folge, dass dadurch die identische Replikation der Nukleinsäure unterbrochen wird. Die Zelle ist also zunächst nicht mehr vermehrungsfähig (Bild 3). Evolutionsbedingt hat eine Zelle für diese Defekt-Situation spezielle Reparatur-Enzyme, die zur Schadensbeseitigung aktiviert werden können (Übersicht 1). Einerseits benötigt die Reparatur des photoinduzierten Strukturdefektes durch diese Enzyme Zeit, andererseits werden an der defekten Nucleinsäure Stoffwechselbefehle und andere lebensnotwendige Informationen fehlerhaft abgelesen, was durch die betroffene Zelle nur zeitlich begrenzt toleriert werden kann. Ist die DNS-Reparatur eines Photodefektes nicht in der verbleibenden Restlebenszeit der Zelle abgeschlossen, bricht der Zellstoffwechsel zusammen und die Zelle stirbt. Übertragen auf die einer Desinfektion entsprechenden Erfordernisse bedeutet dies: Mittels UV-Bestrahlung müssen in einem Anteil 105 : 1 im bestrahlten Wasservolumen vorhandener Mikroorganismen (Bakterienzellen) so viele Photodefekte in den jeweiligen Nukleinsäure-Makromolekülen verursacht werden, dass deren Reparatur in der Restlebenszeit nicht vollendet werden kann.

Bild 3: Schematische Darstellung der Photoschädigung von Nukleinsäure.

Dies wiederum erfordert eine entsprechende Dosis UV-Bestrahlung, um in einem gegebenen Volumen zu desinfizierenden Wassers diese Desinfektionsleistung zu erreichen (Übersicht 2). Im Ergebnis zahlreicher experimenteller Studien wurde für die Desinfektion von Trinkwasser die erforderliche Dosis wie folgt gefunden: In jedes Volumen-Kompartiment des zu desinfizierenden Wassers ist während seiner Verweildauer in der Bestrahlungszone des UV-Desinfektors eine Dosis UV-Licht der Wellenlänge 254 nm in Höhe von mindestens 40 mWs/cm2 einzutragen.

Diese Dosis wird bestimmt und beeinflusst durch die Emissionsstärke des UV-Strahlers in Abhängigkeit von dessen summarischer Betriebsdauer, die UV-Durchlässigkeit (Transmission) des zum Schutz des Strahlers gegen Wasserkontakt erforderlichen Hüllrohres aus Quarzglas, die Verweildauer des Wassers in der Bestrahlungszone (Durchflussgeschwindigkeit) und von "inneren" Filtereffekten, die einerseits von aus Wasserinhaltsstoffen (Kalk) gebildeten Belägen auf dem Quarz-Hüllrohr und andererseits aus (mit den Augen nicht erkennbaren) Transmissionsminderungen für die aktinische UV-Strahlung durch das zu desinfizierende Wasser selbst herrühren. Grundsätzlich gilt für die Wirksamkeit der UV-Desinfektion, dass nur normgerecht desinfiziertes Wasser in das zu schützende Installationssystem (bzw. den zu schützenden Teil) gelangen darf. Die Wahl des auf den Spitzendurchfluss angepassten UV-Gerätetyps (DVGW-zertifiziert nach W 294), von Ort und Art der Installation (zentral oder user-point-nah), einer sensorkontrollierten Betriebsweise zur Gewährleistung von Desinfektionswirkung sowie eine sorgfältige regelmäßige Wartung (z.B. Reinigung des Bestrahlungsmodules, Strahlerwechsel usw.) sind Grundvoraussetzung dafür. Trotzdem kann die UV-Desinfektion wirkungsbedingt nur als eine Keim-Eintrittsbarriere für eine Trinkwasser-Versorgungsanlage eingesetzt werden.

UV-desinfiziertes Wasser, das nach Verlassen des Desinfektors Leitungsabschnitte passiert, in welchen vitale Biofilme existieren, kann beim Verbraucher nicht in der erforderlichen mikrobiellen Qualität ankommen.

Unter vorgenannten Bedingungen und Voraussetzungen genutzt, ist die UV-Desinfektion ein hervorragendes Verfahren für die Trinkwasserdesinfektion mit Verfahrensvorteilen wie Energieeffizienz, Automatisierbarkeit, geringem Platz- und Raumbedarf, ohne Beeinflussung von Wasserparametern, Kontrollierbarkeit und damit hygienischer Sicherheit.

Übersicht 1: Enzymatische Reparatur photodestruierter Nukleinsäure

Enzym

Reparaturwirkung

UV-Endonuklease

der photogeschädigte Nukleinsäurestrang wird vor und hinter der Schadstelle (dem Photodimer eines Pyrimidin-Basen-Paares) getrennt;

DNA-Helicase II

der abgetrennte defekte Strangabschnitt wird eliminiert (und "verstoffwechselt");

DNA-Polymerase

der entfernte Strangabschnitt wird fehlerfrei wieder eingefügt;

DNA-Ligase

der eingefügte fehlerfreie Strangabschnitt wird mit dem Strangende des Nukleinsäure-Makromoleküls verknüpft, die Reparatur ist abgeschlossen.

Kontinuierliche chemische Desinfektion

Die kontinuierliche chemische Desinfektion des Trinkwassers nach Aufbereitung und als Transportsicherung auf dem Weg zum Verbraucher wird von den Wasserversorgungsunternehmen nach Sachlage und Bedarf und damit regional unterschiedlich gehandhabt. Wenn sie permanent oder auch nur intervallartig angewendet werden muss, sind die dafür erlaubten Desinfizienzien und deren Grenzkonzentrationen sowie die einzusetzenden Verfahren im Rahmen der Trinkwasserverordnung [26] geregelt (Übersicht 3).

Dagegen besteht auch die Möglichkeit, innerhalb der Versorgungsanlage eine Desinfektion des Trinkwassers und des Installationssystems zu erreichen. Hierfür gibt es wiederum einerseits die Möglichkeit, das Desinfizienz aus einem Vorratsbehälter gezielt in das Wasser einzubringen (ex situ) oder verordnungsgerecht im zu desinfizierenden Wasser und Installationssystem zu erzeugen (in situ).

Kontinuierliche chemische Desinfektion - ex situ

Das in Trinkwasser (warm bzw. kalt) einzubringende Desinfizienz ist entweder als Handelsware (z.B. Chlor, Chlorbleichlauge) verfügbar oder vor Ort nach zugelassenen Verfahren herstellbar (Chlor, Chlorbleichlauge, Chlordioxid), vgl. Übersicht 6. Nach dem allgemein üblichen Verfahren wird aus einem Vorratsgefäß mit exakt bekannter Konzentration an Desinfizienz in wässriger Lösung (Stammlösung) volumenproportional in das fließende Wasser injiziert. Für die Einhaltung der Grenzwerte laut TrinkwV wird im Allgemeinen die durch einen Kontakt-Wasserzähler gesteuerte kalibrierte Dosierpumpe genutzt. Dies setzt jedoch voraus, dass sich die Konzentration an Desinfizienz im Vorratsbehälter während der Standzeit nicht wesentlich verändert, der eingesetzte Kontakt-Wasserzähler den gesamten Dynamikbereich unterschiedlicher Betriebszustände des Installationssystem (Minimal- bis Spitzenvolumenstrom) erfasst und in der unverfälschten Weise langzeitstabil in Impulsform ausgibt, die (ausgeliterte) Dosierpumpe impulsgesteuert so getaktet wird, dass die Volumenproportionalität der Dosierlösung im Verhältnis zum Wasserfluss unter allen Betriebszuständen gewährleistet ist und die bei Inbetriebnahme einer Dosierstation eingestellten Parameter über ein jeweiliges Wartungsintervall keine Veränderung erfahren.

Übersicht 2: Erforderliche UV-Dosen (254 nm) für eine Inhibierung/Abtötung ausgewählter Mikroorganismen mit RF > 4

Mikroorganismus

UV-Dosis (mWs/cm2

Escherichia coli

6,6

Dysent. facilli

4,2

Clostritium Tetani

22,0

Bac. paratyphorus

6,1

Mycobakt tubercul.

10,0

Pseudomonas aeruginosa

10,5

Legionella pneumophila philadelpphia

14,0

Dallas

16,0

Salmonellea

10,0

Influenca

6,6

Aspergillus niger**)

330,0

Nematoden-Eier**)

92,0

Unabhängig davon ist es unerlässlich, die Funktion und Wirkung derartig gesteuerter Dosierstationen durch exemplarisch vorzunehmende Handmessungen zu kontrollieren und im Bedarfsfalle zu kalibrieren.

Im Prinzip gelten diese Zusammenhänge und Konditionen auch, wenn das Desinfizienz wie im Falle des 2-Komponenten-Vefahrens für die Chlordioxidherstellung (Chlorit-Salzsäure-Verfahren o.ä.) durch unmittelbare volumenproportionale Zusammenführung der Ausgangskomponenten (ein Vorratsgefäß für das Desinfizienz entfällt in diesem Falle) und als Gemisch nach Durchlaufen einer angemessenen Reaktionsstrecke in das Trinkwasser eingespeist wird.

Die Gewährleistung der geforderten Desinfektionswirkung und zugleich die Einhaltung der Grenzkonzentrationen setzt in jedem Falle voraus, dass nach dem Eintrag an der Dosierstelle die Desinfizienzkonzentration verordnungsgerecht ist. Im Grunde genommen kann dies eigentlich nur zuverlässig funktionieren, wenn die nach der Injektion eingestellte finale Desinfektionsmittel-Konzentration an einer für die Zapfstellen beim Verbraucher repräsentativen Stelle kontinuierlich bzw. in entsprechend kurzen Intervallen gemessen wird (amperometrisch oder photometrisch mittels kalibrierter Messtechnik) und dieses Messsignal für die Steuerung der Dosieranlage wirksam genutzt wird.

Dies gilt insbesondere für Chlordioxid, welches im Ergebnis seiner Desinfektionswirkung in das als Atem- und Zellgift wirksame Chlorit umgewandelt wird, dessen Maximalkonzentration in der Höhe von 0,2 mg/l unter keinen Umständen überschritten werden darf, während Chlor/Hypochlorit durchaus in höheren Konzentrationen eingetragen werden darf, wenn anders die Finalkonzentration von 0,3 (ausnahmsweise auch 0,6) mg freies Chlor/l nicht erreicht werden kann.

Darüber hinaus sind auch Nebenwirkungen der verwendeten Desinfizienzien zu beachten, die u.U. einsatzbeschränkend oder sogar einen Einsatz ausschließend sein können. Hierzu zählen sowohl die infolge chemischer Reaktionen mit Wasser- und System-Inhaltsstoffen (z.B. Biofilm) bzw. bestimmten Installationsmaterialien toxische (Trihalogenmethane, THM) bzw. sensorisch unangenehme (Chloramine, Chlorphenole) Folgeprodukte (Summenparameter AOX) bilden (Grenzwerte beachten!) wie auch durch chemische Reaktionen der Desinfizienzien mit den Installationsmaterialien (Korrosion) verursachte Materialschäden.

Kontinuierliche chemische Desinfektion - in situ

Das Verfahren der elektrolytischen Desinfektion z.B. beruht auf der elektrochemischen Generierung von Desinfizienzien aus dem Wasser selbst sowie aus natürlichen (geogenen) Wasserinhaltsstoffen. Zu diesem Zweck wird das Wasser an mit Gleichstrom beaufschlagten Spezialelektroden vorbeigeführt, wobei im Wesentlichen die anodische Oxydation von Chlorid-Ionen zu Chlor bzw. unterchlorige Säure/Hypochlorit (HOCl/ ClO-) und die elektrolytische Zersetzung von Wassermolekülen (Hydroxid-Ionen, HO-) unter Bildung von Sauerstoff und sauerstoffhaltigen reaktiven Spezies als desinfizienzbildende Reaktionen relevant sind [27]. Die elektrolytisch erzeugten Desinfizienzien unterchlorige Säure/Hypochlorit und Sauerstoff-Spezies sind analytisch als Summenparameter "freies Chlor" bestimmbar. Mit Hilfe dieses Messwertes ist der Elektrolyseprozess steuer- und regelbar, sodass die Grenzwerte der Trinkwasserverordnung oder andere festgelegte Grenzkonzentrationen sicher erzeugt und eingehalten werden können.

Die Desinfektionswirkung beruht eindeutig auf der mikrobiziden Wirkung der elektrolytisch generierten Desinfizienzien, die zunächst die im Wasser vorhandenen planktonischen Keim-Spezies inhibieren bzw. abtöten. Mit diesen Desinfizienzien beladenes Wasser, welches in einem Zirkulationssystem 24 Stunden täglich an den mit Biofilm behafteten Innenoberflächen der Installationsmaterialien vorbeifließt, bewirkt einen zeitlich zwar verzögerten, aber permanent fortschreitenden Prozess der Inhibierung und letztlich Entfernung dieses Biofilms als Quelle ständiger neuer Keimemission. Interessant in diesem Zusammenhang sind Befunde, denen zufolge die Desinfektionsleistung der elektrolytisch generierten Desinfizienzien, repräsentiert durch den Messwert "freies Chlor", eine 5- bis 10-mal stärkere Wirkung - speziell auch gegenüber Legionellen und Pseudomonaden - hat im Vergleich zur Konzentration "freies Chlor", eingestellt durch Zugabe von Chlorbleichlauge zum Untersuchungsmedium [28].

Bild 4: Installationsskizze einer Elektrolyseanlage (System AQUA DES) in Kombination mit einer thermischen Mischwasserstation in einem Warmwasser-Zirkulationssystem.

Der Betrieb einer solchen Anlage für die elektrolytische Desinfektion von Trinkwasser und Trinkwasserinstallationen, z.B. AQUA DES Elektrolyseanlage, ermöglicht, im damit ausgestatteten Zirkulationssystem sowohl im Hinblick auf das Wasser (Vorlauf und Zirkulation) wie auch auf einen vorhandenen Biofilm die für die jeweilige Problemlösung notwendigen hygienischen Konditionen ununterbrochen zu schaffen. Dies praktisch zu gewährleisten, gelingt am sichersten, wenn sie im Bypass zur Vorlauf-/Versorgungsleitung des zirkulierenden Warmwassers installiert ist und betrieben wird (Bild 4). Erforderlich ist ein dementsprechend ausgelegtes sensorgestütztes Monitoring mit der Möglichkeit der Anlagensteuerung bzw. -regelung.

Die Betriebssicherheit wird erhöht durch einen Modemanschluss zur Daten-Fernübertragung und damit zur Fern-Überwachung des Anlagenbetriebes sowie die Gewährleistung eines stabilen Betriebes durch im Bedarfsfalle einzuleitende Servicearbeiten, auch außerhalb der üblichen Wartungszyklen.

Die elektrolytisch generierten Desinfizienzien können ihre Wirkung gegenüber planktonischen (sofort) und biofilm-inkorporierten (retardierend) Mikroorganismen nur dort entfalten, wo sie hingelangen bzw. nach eingetretener Zehrung erneuert werden. Voraussetzung für eine effiziente Wirkungsweise derartiger Anlagen ist folglich das Vorhandensein eines lückenlos funktionierenden und bis zur letzten Zapfstelle abgeglichenen Zirkulationssystems. Totstränge, Stagnationsbereiche sowie lange Stichleitungen zu selten benutzten Ausläufen schränken die Wirksamkeit ein bis zur faktischen Wirkungslosigkeit des Verfahrens in bestimmten Regionen eines Installationssystems. Daher setzt in der Regel auch die Nutzung der elektrolytischen Wasserbehandlung als gebäudeinternes Desinfektionsverfahren im Einzelfall durchgeführte bau- und/oder betriebstechnische Maßnahmen voraus.

Zusammenfassung

Es gibt kein a priori universell einsetzbares Verfahren für die gebäudeinterne hygienische Prävention bzw. Desinfektion von Trinkwasser und Trinkwasserinstallationen "an sich". Ein Unternehmer oder sonstiger Inhaber einer Trinkwasser-Versorgungsanlage (Hausinstallation) - speziell des öffentlich-gewerblichen Bereichs - benötigt für Prävention oder im Falle erforderlicher Dekontamination nicht einfach ein Gerät oder Verfahren, sondern vielmehr eine Problemlösung. Eine solche betrifft im Sanierungsfall ein konkretes originäres Gebäude mit einem einmalig gestalteten Installationssystem, in welchem ein ebenso "einmaliger" Biofilm vegetiert, der ein Hygieneproblem verursacht, dessen Gefährdungspotenzial bestimmt wird durch die hygienische Relevanz gegenüber den Nutzern und deren hygienische Sensibilität.

Basierend auf einer soliden Kenntnis des Installationssystems, seiner Betriebsweise, des bestehenden Hygieneproblems usw. ist ein spezifisches Sanierungskonzept für die Problemlösung zu erarbeiten, welches bau- und betriebstechnische wie auch verfahrenstechnische Maßnahmen oder Verfahrenskombinationen einschließt. Bei der Auswahl von Desinfektionsverfahren sollte es nicht nur darum gehen herauszufinden, was es kann, sondern sorgfältig und kritisch zu hinterfragen, wo sie ihre Wirkungsgrenzen haben. Erst wenn diese kritische Sicht auf Entscheidungen für zur Auswahl stehende bau-, betriebs- und verfahrenstechnische Maßnahmen praktiziert wird, kann ein erfolgversprechendes und zielführendes Sanierungskonzept für eine Problemlösung erarbeitet und realisiert werden. Das setzt Sach- und Fachkenntnisse voraus.


L i t e r a t u r :  
[25] DVGW Technische Mitteilung Merkblatt W 293 UV-Anlagen zur Desinfektion von Trinkwasser und Arbeitsblatt W 294 UV-Desinfektionsanlagen für die Trinkwasserdesinfektion - Anforderungen und Prüfung; Vertrieb: Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH Bonn.
[26] Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß 11 der Trinkwasserverordnung 2001; Bundesgesundheitsbl. - Gesundheitsforsch. - Gesundheitsschutz 2002 (45), 827 - 845 sowie 2. Änderung Stand Februar 2004.
[27] Schöberl, M: Dissertation Technische Universität München 1990.
Kreysig, D. : Ausgewählte Verfahren der Desinfektion von Trinkwasser und Trinkwasserinstallationen; in: VDI Bildungswerk Handbuch "Ausgewählte Kapitel der Sanitärtechnik" 43-39-10.
Kreysig, D. et all.: Elektrolytische Trinkwasserdesinfektion; in: ISH Kompendium für die Gebäudetechnik 2001; Bertelsmann Fachzeitschriften.
Bergmann H. et all.: Wasser Abwasser 2001, 856 - 859.
[28]Seipp, H.-M.: Einfluss elektrolytisch behandelten Wassers auf die Elimination von Biofilmen infolge von Pseudomonaden und Legionellen; TK 2000 Hannover: Zukunftsfähige Formen der Krankenhaustechnik; Tagungsband 293 - 3035.


*) Prof. Dr. Dieter Kreysig, wissenschaftlicher Berater der AQUAROTTER GmbH
**) im Allgemeinen nicht trinkwassergängig, deshalb für UV-Desinfektion von Trinkwasser ohne Belang.


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