Gutachten über die Leistung des LaVie-Verfahrens bei der Dechlorierung von Trinkwasser durch Prof. Nicolas ROCHE, Aix-Marseille Université

Von Professor Nicolas ROCHE
Aix-Marseille Universität

Professeur Nicolas ROCHE, Aix-Marseille Université

Professor Nicolas ROCHE
Aix-Marseille Universität
Koordinieren. Interdisziplinärer und sektorübergreifender Forschungsschwerpunkt Umwelt Lab. Mechanik, Modellierung und saubere Verfahren (M2P2 – UMR 7340)
Dept. Chemical Engineering, Process Engineering, IUT Aix-Marseille

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AIX – MARSEILLE UNIVERSITE AMU
LM2P2 (UMR7340)
IUT Aix-Marseille

Präambel

Die SAS SOLABLE hat ein innovatives System zur Reinigung (LAVIE®-Verfahren) des Leitungswassers entwickelt.

Laut der Firma SOLABLE :

  • Dieses auf UVA-Strahlung basierende System soll die Chlormoleküle “aufbrechen” und gleichzeitig die Flasche in POA (Advanced Oxydation Process, nachgewiesen durch den Abbau von Methylenblau innerhalb von 15 Minuten) umwandeln. Diese POA soll letztendlich auch eine tiefgehende Behandlung von Geschmack und Gerüchen und sogar von anderen gelösten Schadstoffen wie Pestiziden oder Medikamentenspuren ermöglichen, ohne dass das Wasser gefiltert oder durch einen sekundären Kreislauf geleitet werden muss.
  • Dies schützt vollständig vor bakterieller Verschmutzung, wie sie bei Systemen wie Karaffenfiltern auftreten kann, und ermöglicht die Aufbewahrung des gereinigten Wassers in Glasflaschen, die perfekt in den Kühlschrank passen.
  • Die Tatsache, dass keine verschiedenen Verbrauchsmaterialien (Medien oder chemische Reagenzien) benötigt werden, ist ebenfalls ein Pluspunkt, der es ermöglicht, sie jederzeit und ohne Bedienungsfehler zur Verfügung zu haben. Eine Sicherheitsfunktion (Abschaltung des UVA-Lichts beim Öffnen der Schachtel) ermöglicht sogar eine Ausweitung der Nutzung auf Kinder.

Diese neuen Verwendungszwecke, die insbesondere im Vergleich zur Verwendung von Filterkaraffen einen Bruch darstellen, veranlassen SOLABLE dazu, ein wissenschaftliches Gutachten über die quantitativen Leistungen der Entchlorung von Trinkwasser und über seine qualitativen Fähigkeiten zur Entchlorung von mit Methylenblau gefärbtem Wasser anzufordern.
Da dieses Produkt zur Reinigung von Trinkwasser bestimmt ist, wurden die Tests mit Leitungswasser aus Lambesc (13) durchgeführt, das mit Chlor innerhalb der in Frankreich zulässigen Chlorierungsgrenzen dotiert war: zwischen 0,2 und 0,4 mg / Liter.

Einleitung :

Wasser, das als Trinkwasser bezeichnet wird, muss bestimmte Eigenschaften aufweisen, damit es sicher für den direkten menschlichen Gebrauch bestimmt werden kann. Auch wenn die Werte der verschiedenen beobachteten Kriterien in den einzelnen Ländern unterschiedlich sein können, lassen sie sich dennoch in drei Hauptkategorien einteilen:

  • physikalisch-chemische Parameter (pH, TOC, Temperatur, Leitfähigkeit, Nitrate, Ammonium, Chloride, Sulfate, …)
  • Giftstoffe
  • mikrobiologische Parameter (Krankheitserreger wie fäkale Coliforme).

Für Frankreich findet man diese Kriterien im Arrêté du 11 janvier 2007 relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes et des eaux destinées à la consommation humaine mentionnées aux articles R. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 du code de la santé publique.

Um die Qualität des Wassers zu gewährleisten, wird das entnommene Wasser je nach Herkunft (Oberflächenwasser, Grundwasser, Entsalzung, Regenwasser, Wiederverwendung) behandelt, bevor es verteilt werden kann, wobei sichergestellt wird, dass es bis zu den Verwendungsstellen für den menschlichen Verzehr geeignet bleibt.

Die erforderlichen physikalisch-chemischen Parameter werden durch die Einführung physikalisch-chemischer Behandlungs- und Trennverfahren erreicht. Die Desinfektion erfordert den Einsatz fortschrittlicher Oxidationslösungen wie Ozonierung, Chlorierung und Behandlung mit UV-Licht. Unabhängig von den eingesetzten Verfahren wird vor der Verteilung sehr häufig eine Chlorung vorgenommen, um die bakteriologische Qualität des Wassers bis zur Verwendungsstelle zu gewährleisten, da Chlor eine hohe Remanenzwirkung hat.
Chlorierungsverfahren werden sehr häufig zur Desinfektion von Trinkwasser eingesetzt (Health Canada, 2009)*. Chlor hat eine starke Oxidationskraft, die es ermöglicht, im Wasser enthaltene Mikroorganismen schnell (Kontaktzeit von etwa 30 Minuten) abzutöten oder zu inaktivieren. Es wird im Allgemeinen in zwei Hauptformen verwendet: fest (Tablette) oder flüssig (Bleiche oder Natriumhypochlorit), je nachdem, ob es in großem Umfang (kollektiv oder individuell) verwendet wird. Daher ist es wichtig, dass eine ausreichende Menge an Chlor hinzugefügt werden kann, um einerseits die Desinfektion des Wassers und andererseits seine remanente Wirkung auf die Verteilungszeit zu gewährleisten.

Desinfektionsverfahren durch Chlorierung haben viele echte Vorteile in dem Sinne, dass sie wirksam, schnell, kostengünstig, mehrstufig und relativ einfach zu implementieren sind. Dennoch haben sie eine Reihe von Nachteilen, die es zu berücksichtigen gilt, da sie sich auf die menschliche Gesundheit auswirken können. Eine Überdosierung von Chlor kann dazu führen, dass das Chlor mit anderen Verbindungen im Wasser, insbesondere mit organischen Stoffen (OM), reagiert und Produkte bildet, die als “Chlorierungsnebenprodukte” (SCP) bezeichnet werden und von denen einige für die menschliche Gesundheit schädlich sind. Zahlreiche Studien (Mouly et al., 2008†) konnten die Bedingungen für das Einsetzen solcher Reaktionen, die zur Bildung von SDCs führen, aufzeigen. Fast 600 PKS konnten so identifiziert werden, unter denen sich Hauptfamilien wie Trihalomethane (THM) und Haloessigsäuren (HAA) befinden, die zusammen zwischen 20 und 30 % der Gesamtmasse der PKS ausmachen. Außerdem können zu hohe Dosen an Restchlor dem Trinkwasser einen unangenehmen Geschmack verleihen.

Daher ist es wichtig, die Produktion dieser PKS in den Verarbeitungsketten, aber auch in den Verteilungskreisläufen begrenzen und kontrollieren zu können. Dies geschieht vor allem durch eine angemessene Chlordosierung, um organische Stoffe zu oxidieren und die Konzentrationen an Restchlor am Ende der Behandlung zu begrenzen. Dies ist ein sensibler Punkt für Chlorierungsverfahren und nicht immer leicht in Aufbereitungssystemen umzusetzen, insbesondere wenn die Ressource zeitlich variierende Eigenschaften und MO-Gehalte aufweist. Unter diesem Gesichtspunkt empfiehlt die WHO eine Konzentration von 0,2 bis 0,5 mg/l freies Chlor im verteilten behandelten Wasser.

Seit einigen Jahren werden Desinfektionsverfahren mit UV-Licht entwickelt und vermarktet. Sie basieren auf dem Prinzip, dass UV-Strahlen eine starke bakterizide Wirkung haben.

Ultraviolette (UV) Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, deren Emissionswellenlänge kürzer als die des sichtbaren Lichts und länger als die der Röntgenstrahlen ist. Sie machen fast 5 % der von der Sonne ausgestrahlten elektromagnetischen Energie aus und können von Lampen, den sogenannten UV-Lampen, erzeugt werden. Bei den UV-Strahlen werden klassischerweise drei Kategorien nach ihrer Wellenlänge unterschieden: UVA (400- 315 nm), UVB (315-280 nm) und UVC (280-100 nm). Es ist anzumerken, dass aufgrund der Absorption von UV-Strahlen durch die Ozonschicht in der Atmosphäre fast das gesamte (95%) UV-Licht, das von der Sonne auf die Erde trifft, der Kategorie UVA angehört.

UV-Strahlen verändern die DNA von Bakterien, wodurch sie je nach Einwirkungszeit abgetötet oder gehemmt werden können und so ihre Vermehrung verhindert wird. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass UV-Strahlen auch eine zerstörerische Wirkung auf bestimmte chemische Verbindungen, sogenannte lichtempfindliche Verbindungen, im Wasser oder in der Atmosphäre haben. Sie können daher am photochemischen Abbau bestimmter chemischer Schadstoffe im Wasser beteiligt sein, und das sogar in geringen Konzentrationen.

Desinfektionsverfahren mit UV-Lampen sind relativ einfach aufgebaut, da sie darin bestehen, in einem kleinen Reaktor die UV-Lampe mit dem zu behandelnden Wasser in die gemeinhin als Bestrahlungskammer bezeichnete Kammer zu bringen. Diese Verfahren werden sowohl im industriellen und kollektiven Maßstab als auch im individuellen Maßstab entwickelt, was vor allem auf ihre einfache Anwendung zurückzuführen ist. Die Literatur und die industriellen Entwicklungen dieser Verfahren sind zahlreich und umfangreich (Oppenheimer et al., 1997)‡ , aber sie beruhen fast ausschließlich auf der Verwendung von UV-Lampen der UVC-Kategorie.

Was die Verwendung von UVA-Lampen (Strahlungskategorie des LAVIE® -Verfahrens der Firma SOLABLE) betrifft, so gibt es meines Wissens derzeit keine industrielle Entwicklung dieser Art von Wasseraufbereitungslampen, doch haben einige Arbeiten die bakterizide Wirksamkeit von UVA-Lampen nachgewiesen (Hamamoto et al., 2007)§.

Abschließend zu den Desinfektionsverfahren mit UV-Lampen: Sie bieten eine Vielzahl von Vorteilen. Sie sind sowohl im industriellen als auch im individuellen Maßstab einfach zu verwenden. Sie erfordern keine chemischen Reagenzien oder besondere Trägermaterialien und verändern in diesem Sinne nicht die physikalisch-chemischen Eigenschaften des zu behandelnden Wassers. Auch wenn die Anfangsinvestitionen für diese Art von Verfahren im Vergleich zu anderen Verfahren wie der Chlorierung höher erscheinen mögen, sind die Betriebskosten aufgrund der langen Lebensdauer der verwendeten Lampen sehr gering und machen das Verfahren in dieser Hinsicht wettbewerbsfähig. Dennoch gibt es einige Nachteile bei der Verwendung dieser Verfahren. Die bakterizide Wirkung von UV-Lampenverfahren ist im Gegensatz zur Chlorierung nicht remanent, ihr Einsatz sollte daher so nah wie möglich am Ort des Verbrauchs und der Nutzung erfolgen. Die Verwendung dieser Art von Verfahren erfordert außerdem, dass das Wasser vorher ausreichend klar ist, da sonst die Übertragung der UV-Strahlung in das Wasser nicht eingeschränkt wird. Schließlich ist es schwierig, die Wirksamkeit der Behandlung unmittelbar durch die Messung von Rückständen zu beurteilen, wie es bei der Verwendung von Chlor der Fall ist, und die Wirksamkeit der Behandlung dieser Verfahren zu optimieren, wenn es sich um eine Ressource handelt, die durch zeitliche Schwankungen ihrer Qualität (insbesondere der bakteriologischen Qualität) gekennzeichnet ist.

Materialien und Methoden :

Die Experimente wurden am 20. November 2017 auf dem Gelände der Firma SOLABLE in LAMBESC (13) mit Trinkwasser durchgeführt, das zum Zeitpunkt der Experimente aus den Räumlichkeiten der Firma entnommen wurde. Es ist ein Wasser mit geringer Härte (durchschnittlich 12°F), das mit einem geringen Gehalt an freiem Chlor von weniger als 0,1 mg/l verteilt wird. Deshalb haben wir für die Experimente zur Entchlorung durch das LAVIE® -Verfahren dieses Trinkwasser mit Chlor dotiert. Diese Dotierung wurde mit einem Volumen von 15 Litern Leitungswasser durchgeführt, in das wir 0,44 ml einer neuen kommerziellen 3,6%igen Bleichlösung gaben, was uns schließlich ein Wasser mit einer gemessenen Konzentration an freiem Chlor von 1,04 mg Cl-/l bescherte. Diese “Mutterlösung” wurde dann verdünnt, um zwei Lösungen mit 0,41 bzw. 0,27 zu erhalten, damit die von der WHO empfohlenen Grenzwerte eingehalten wurden. Diese Lösungen wurden jeweils kurz vor Beginn der Experimente vorbereitet. Die Firma SOLABLE schlägt für die Anwendung des LAVIE® -Verfahrens eine Bestrahlungszeit mit UV-Licht von 20 Minuten vor. Daher führten wir für jedes untersuchte Wasser zwei Versuche bei 15 Minuten bzw. 30 Minuten Einwirkzeit durch.

Das für die Versuche verwendete LAVIE® -Verfahren ist ein Prototyp in handelsüblichen Abmessungen, der mit zwei UVA-LED-Lampenbändern (6 Lampen pro Band, Emissionswellenlänge: 365 nm, Leistungsaufnahme: 25,9 W, Spannung: 21,6 V , Stromstärke: 1,2 A) ausgestattet ist, die eine zylindrische 1-Liter-Flasche (Durchmesser: 80 mm, Höhe: 280 mm) aus transparentem Glas (Borosilikat) aufnehmen können.

Die Bestimmung des Gesamtchlors erfolgte vor Ort zu Beginn und am Ende jedes Experiments unter Verwendung eines Chlorimeters der Marke HANNA H1 711, dessen Eigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind. Um die bakteriologische Qualität des Wassers vor und während der Versuche sowie den endgültigen Chlorgehalt zu überprüfen, wurden Proben von jedem Versuch entnommen und sofort an das Labor SOSCA ANALYSES** (31120, l’Union) geschickt.

Matériel utilisé

Tabelle 1: Technische Spezifikationen des HANNA Chlorimeters HI 711

Ergebnisse :

Im Allgemeinen zeigten alle durchgeführten Experimente keine Veränderungen der bakteriologischen und physikalisch-chemischen Wasserqualität nach 15 oder 30 Minuten Einwirkzeit im LAVIE® -Verfahren der Firma SOLABLE. Die Ergebnisse des SOCSA-Labors zeigen keine Veränderung der bakteriologischen Qualität des Wassers oder der physikalisch-chemischen Eigenschaften.

Überwachung der Dechlorierungskapazitäten des LAVIE® -Verfahrens
Die Ergebnisse der Experimente mit Wasser mit einer anfänglichen Chlorkonzentration von 0,41 bzw. 0,27 mg Chlor/l bei einer Expositionszeit von 13 bzw. 30 Minuten sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Dechlorierungseffizienz des LAVIE® -Prozesses liegt eindeutig bei über 90%, wenn die mit Chlor dotierten Lösungen 15 Minuten lang der UVA-Strahlung ausgesetzt werden. Die nach 15 und 30 Minuten gemessenen Restkonzentrationen von Chlor liegen innerhalb der Nachweisgrenze, bis auf den Messfehler der verwendeten Bestimmungsmethode. Die vom SOSCA-Labor durchgeführten Analysen bestätigen, dass bei allen Proben kein Gesamt- und freies Chlor nach 15 und 30 Minuten vorhanden ist.

Évolution de concentration du chlore

Abbildung 1: Verlauf der Chlorkonzentration bei Einwirkzeiten von 15 und 30 Minuten für eine Ausgangslösung mit 0,41 mg/l Chlor (blau) und eine Ausgangslösung mit 0,27 mg/l Chlor (orange).

Überwachung der Entfärbungskapazität des LAVIE® -Verfahrens

Der LAVIE® -Wasserentfärbungstest wurde mit dem für die Entfärbungstests vorbereiteten Mutterwasser (dotiert mit 1,04 mg/l Chlor) nach Zugabe von 6 Tropfen Methylenblau-Lösung pro Liter Wasser durchgeführt. Diese Zugabe wurde in zwei identischen Flaschen durchgeführt und eine Flasche wurde anschließend 30 Minuten lang UVA-Strahlung ausgesetzt. Die dabei gemachten Beobachtungen sind in Abbildung 2 dargestellt.

Suivi de la décoloration d’une eau colorée

Abbildung 2: Verfolgung der Verfärbung von mit Methylenblau gefärbtem Wasser im Anfangszustand (a) und nach 30-minütiger UVA-Bestrahlung für Flasche 2 (b)

Dieser Versuch zeigt deutlich, dass das LAVIE® -Verfahren zusätzlich zu den unten untersuchten Entfärbungsfähigkeiten auch klare Entfärbungsfähigkeiten aufweist und somit zur Verbesserung der Qualität von Trinkwasser beiträgt, das Probleme mit leichten Verfärbungen aufweisen kann.

Schlussfolgerung :

Die am 20. November 2017 durchgeführten Versuche mit dem von der Firma SOLABLE entwickelten LAVIE®-Verfahren an mit Chlor dotiertem und durch Zugabe von Methylenblau gefärbtem Trinkwasser zeigen deutlich, dass ohne jegliche Zugabe von Reagenzien oder die Verwendung von Ionenaustausch- oder Filtermedien :

  • In Bezug auf freies oder restliches Chlor und bei Konzentrationen, die man im Hinblick auf die Empfehlungen der WHO als wichtig bezeichnen kann, zeigt das LAVIE® -Verfahren quantitativ gesehen Entchlorungseffizienzen von über 90%, und das bereits nach 15 Minuten UVA-Bestrahlung.
  • Was die Auswirkungen auf die Färbung des Wassers betrifft (ein wichtiges Merkmal der Wasserqualität, insbesondere im Hinblick auf ihre gesellschaftliche Wahrnehmung), so weist das LAVIE® -Verfahren aus qualitativer Sicht Entfärbungskapazitäten auf, die bei mit Methylenblau gefärbten Proben als vollständig betrachtet werden können. Diese Beobachtungen zeigen also ein Potenzial für die Oxidation und den Abbau von chemischen Molekülen, die in den Wässern des LAVIE® -Verfahrens enthalten sind.

Schließlich bietet die Verwendung von UVA-Strahlen eine zusätzliche Garantie dafür, dass die bakteriologische Qualität des Wassers erhalten oder verbessert wird.

Geschehen zu Aix en Provence am 06. Dezember 2017

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