Die Herstellung von Reinstwasser ist ein komplexer Prozess, der sich aus einer Reihe einzelner Verfahrensstufen zusammensetzt. Wesentlich ist dabei – sowohl in technischer als auch in ökonomischer Hinsicht – neben der Mikrofiltration und Umkehrosmose die Enthärtung des Rohwassers. Sie bietet den sichersten Schutz vor Kalkausfällungen auf nachgeschalteten Systemen. Für die Effizienz einer Enthärtungsanlage ist ihre jeweilige Betriebsweise ausschlaggebend. Hierbei sind die klassischen quantitativen von modernen qualitativen Verfahren zu unterscheiden. Betrachtet man die technische Entwicklung, so gelang wohl Robert Behrend Ende des neunzehnten Jahrhunderts ein historischer Meilenstein. Mit der Einführung der sogenannten Potentiometrie, einem Verfahren der mengenbasierten Analyse, legte er den Grundstein für die Reinstwasserherstellung. Kurze Zeit später, im Jahr 1906, nahmen Fritz Haber und Zygmunt Klemensiewicz dann die ersten elektroanalytischen und ionenselektiven Messungen vor. Doch sicher ahnte keiner diese Wissenschaftler, welche immense Bedeutung diese Techniken in der heutigen Zeit einmal haben würden. Der finale Durchbruch der Methode zur industriellen Nutzung in der potentiometrischen und ionenselektiven Wasserhärteüberwachung gelang allerdings erst in jüngster Vergangenheit. Seit Anfang der 60er-Jahre kommen zur Erzeugung von Weichwasser verstärkt Ionenaustauscheranlagen mit integrierter Natriumchlorid-Regeneration zum Einsatz. Eine gleichbleibend hohe Qualität und Menge des erzeugten Mediums hängt aber nicht ausschließlich von unveränderten Betriebsparametern der eingesetzten Enthärtungsanlage ab. Sie ist auch durch eine konstante Härtekonzentration des Rohwassers bedingt. Somit unterliegt die Mediengüte grundsätzlich natürlichen Schwankungen. Diese können beispielsweise durch veränderte Witterungsbedingungen oder Wartungsarbeiten am Brunnen des Wasserversorgers zustande kommen.
Quantitativ versus qualitativ
Bei der Planung und Dimensionierung von Enthärtungsanlagen ist daher immer vom maximal auftretenden Rohwasserwert auszugehen. Dieser begrenzt die technische Weichwasserkapazität auf ein Minimum. Das heißt, dass bei Erreichen der definierten Mindestdurchsatzmenge – unabhängig vom reellen Leistungsvermögen der Anlage – eine Regeneration ausgelöst wird. Die dabei genutzte Enthärtungskapazität liegt bei diesem als quantitative Betriebsweise bezeichneten Vorgehen also unterhalb der technischen Möglichkeiten. Bislang kam das Verfahren bei den in Betrieb befindlichen Enthärtungssystemen am häufigsten zum Einsatz. Eine kontinuierliche und prozesssichere Überwachung der Weichwasserqualität ist hierdurch jedoch ausgeschlossen. Auch kann die volle Kapazität der Anlage auf diese Weise nicht ausgeschöpft werden. Um nachfolgende Prozessstufen zumindest grundlegend abzusichern, hat sich in den vergangenen 40 Jahren das zyklische photometrische Messverfahren als technischer Standard zur Weichwasserhärteüberwachung durchgesetzt. Das Verfahren basiert auf einer stichprobenartigen Kontrolle der Anlagenfunktionsfähigkeit. Der hierbei anfallende Wartungsaufwand für die Messkammer und der kontinuierliche Einsatz von Indikatorchemikalien sind dabei nicht zu vernachlässigende Faktoren. Sie haben im Betrieb wiederholt zu Fehlmessungen und Störmeldungen geführt. Folglich stieg auch die Belastung des Betreiberpersonals, das mit erhöhter Aufmerksamkeit den Prozess überwachen musste. Für eine qualitative Betriebsweise konnte sich das photometrische Verfahren jedoch ebenfalls nicht durchsetzen.
Konzentrationsgesteuerte Regeneration
Um die Kapazität der Anlage bei gleichbleibender Weichwasserqualität optimal auszunutzen, ist eine stetige Kontrolle der Medienhärte unerlässlich. Mit dem neu entwickelten Ecosalt-Messsystem von BWT Pharma & Biotech sind Prüfungen zuverlässig, wartungsarm und ökologisch durchführbar. Bei diesem als qualitative Betriebsweise bezeichneten Vorgehen wird die Regeneration der Enthärtungsanlage erst nach Erreichen einer vorgegebenen Konzentration des Weichwassers ausgelöst. Damit sind für den Betreiber erhebliche Einsparungen an Regeneriersalz und Roh- sowie Abwasser verbunden. Das potentiometrische Messverfahren, wie es bei Ecosalt zum Einsatz kommt, besitzt gegenüber photometrischen Methoden zahlreiche Vorteile. Unter Nutzung einer ionenselektiven Elektrode für Calcium- und Magnesiummoleküle wird die Differenz zwischen Hart- und Weichwasser kontinuierlich gemessen. Die vollautomatisch funktionierenden Messgeräte verfügen über einen einfachen Aufbau mit kleinsten Probeschläuchen (Innendurchmesser 2 mm). Durch diese strömen die Wasserproben in sehr kurzen Testzyklen (ca. 15 bis 30 Sek./Messung) in eine externe Durchflussprüfkammer mit kleinem Füllvolumen (ca. 5 ml). Dieses Prinzip ermöglicht erstmals eine kontinuierliche Überwachung von Enthärtungsanlagen über lange Zeiträume unter wirtschaftlichen Bedingungen. Das angewandte Differenzverfahren bietet zudem die Option, Sensordriften auszuschließen sowie die Fühlergüte zu bestimmen. Damit wird nicht nur die Weichwasserhärte, sondern auch die Messfunktionalität überwacht. Dies bietet größtmögliche Sicherheit gegen Härtedurchbruch in nachgeschalteten Prozessschritten. Durch die hohe Sensitivität und Selektivität der Sensoren können selbst Grenzwerte unter 0,1°dH ständig kontrolliert und somit optimale Voraussetzungen für die qualitative Steuerung der Anlagen geboten werden. Des Weiteren ist mit diesem Verfahren die Prüfung einer korrekten Durchführung der Enthärterregeneration gewährleistet. So ist der Betreiber vor kostenintensiven Beschädigungen nachgeschalteter Membransysteme geschützt, falls das Programm nicht ordnungsgemäß abläuft oder das Regeneriersalz in einem zu geringen Umfang zur Verfügung steht. Bei einer ständigen Überwachung der Weichwasserhärte ist ihr Anstieg schon in geringen Konzentrationen erkennbar und ermöglicht damit eine optimale Nutzung der Medienkapazität. Wie auch bei anderen chemischen Systemen ist die Betriebsdauer der ionenselektiven Sensoren begrenzt. Störende Inhaltsstoffe, wie Stoßchlorierungen und Soleschübe von Enthärtungsanlagen, sowie ein zunehmend kleinerer Härtegrenzwert beeinflussen sie negativ. Das Messsystem überwacht diesen Alterungsprozess automatisch und signalisiert dem Anwender bei Unterschreitung einer Mindestqualität die erforderliche Auswechselung.
Einsparpotenzial durch effiziente Betriebsweise
Bei einer Enthärtungsanlage mit einem Durchsatz von 10 Kubikmetern je Stunde, einer Rohwasserhärte von 20°dH und einer Betriebszeit von ca. 5.000 Stunden pro Jahr fallen etwa 1.000 Regenerationen an. Legt man dieser Rechnung durchschnittlich 200 Euro pro Tonne Regeneriersalz und 5 Euro je Kubikmeter Frisch- bzw. Abwasser zu Grunde, ergibt dies Gesamtkosten für Betriebsmittel in Höhe von 24.300 Euro im Jahr. Bei einer verbesserten Kapazitätsnutzung von mindestens 20 Prozent gegenüber der herkömmlichen quantitaviven Regenerationsauslösung lassen sich mit Ecosalt unter den zuvor beschriebenen Bedingungen jährlich rund 5.000 Euro an Betriebskosten einsparen. Die modernen qualitativen Analysen zur Enthärterregeneration besitzen gegenüber konventionellen Methoden eine Vielzahl an technischen und ökonomischen Vorteilen. Das neue Ecosalt-Messverfahren beispielsweise ist serienmäßiger und exklusiver Bestandteil der Osmotron-Entsalzungsanlagen – einer Prozesskombination aus Enthärtung, Umkehrosmose und Septron EDI-Technologie. Damit handelt es sich um eine Lösung, welche unabhängig bestehender Rohwassermatrizen und sehr unterschiedlicher Härten eine ökologische, sichere und kostengünstige Möglichkeit zur qualitativen Steuerung und kontinuierlichen Überwachung von Enthärtungsanlagen darstellt. Der Einsatz des Systems optimiert den Betrieb bei konstanter Weichwasserqualität mit erhöhter Prozess- und Verfahrenssicherheit und sorgt zusätzlich für signifikante Einsparungen im Betrieb sowie für eine dauerhaft verringerte Umweltbelastung.☐
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