Behandlung von Mineral-, Heil- und Tafelwasser - Aufgabenstellung, Verfahren und Apparate
Vor allem Mineral- und Heilwässer, aber auch viele auf dem Markt angebotene Tafelwässer sind hoch mineralisiert. Neben den Mineralien enthalten sie aber häufig noch Wasserinhaltsstoffe, die aus ästhetischen oder gesundheitsgefährdenden Gründen entfernt werden sollen oder müssen. Dies ist aufgrund der hohen Mineralisation häufig nicht einfach, oder z. B. bei einer Bezeichnung als "Natürliches Mineralwasser" zumindest als gezielte Maßnahme nicht erlaubt. Eine intelligente Verfahrensführung und Auswahl des Filtermaterials führen jedoch in der Regel trotzdem zum erwünschten Erfolg.
Wird das Produkt als "Natürliches Mineralwasser" bezeichnet, muss es gem. EU-Richtlinie und deutscher Mineral- und Tafelwasserverordnung (MTVO) seinen Ursprung in einem unterirdischen, geschützten Wasservorkommen haben. Es muss von ursprünglicher Reinheit und gekennzeichnet sein durch seinen Gehalt an Mineralien und Spurenelementen. Dies wird gegebenenfalls durch bestimmte ernährungsphysiologisch nachgewiesene Wirkungen belegt, die auch die Grundlage für die amtliche Zulassung als "Natürliches Mineralwasser" oder "Heilwasser" ist. Die Zusammensetzung, die Temperatur und die wesentlichen Merkmale eines solchen Wassers müssen konstant bleiben.
Gemäß MTVO ist bei der Bezeichnung "Natürliches Mineralwasser" lediglich das "Abtrennen unbeständiger Inhaltsstoffe, wie Eisen-, Mangan- und Schwefelverbindungen sowie Arsen, durch Filtration oder Dekantation, ggf. nach Belüftung, auch mit Ozonangereicherter Luft...“ zulässig. Zu einer Änderung der Hauptbestandteile der Mineralisation darf es dabei nicht kommen. Außerdem ist ein „Entzug und das (Wieder-)Versetzen mit Kohlendioxid“ erlaubt. Zusatzstoffe und Verfahren zum Zwecke der Änderung des Keimgehaltes sind nicht erlaubt.
Eisen und Mangan stören aus ästhetischen Gründen, da es nach dem Eingießen in ein Glas und nach Kontakt mit Luftsauerstoff durch deren Oxidation zu Trübungen und zu Ausflockungen kommen kann. Arsen ist in höheren Konzentrationen gesundheitsschädlich. Schwefelverbindungen, wie Merkaptane und vor allem des Öfteren vorkommender Schwefelwasserstoff, stinken (nach faulen Eiern) und stören, wie das dann häufig ebenfalls vorliegende Methan, die Eisen- und Manganoxidation. Da es sich bei Wässern, die diese Verbindungen enthalten, um sogenannte reduzierte Wässer handelt, liegen oft auch geringe Mengen an Ammonium vor. Im Rahmen der gezielten Oxidation von Eisen und Mangan, mit dem Ziel ihrer Abtrennung bei der Wasserbehandlung, kommt es im Rahmen einer natürlichen Nebenreaktion unweigerlich auch zur mikrobiologischen Oxidation des Ammoniums, das dann über den Zwischenschritt Nitrit zum Nitrat umgewandelt wird. Zu viel Kohlendioxid im Wasser kann bei der Behandlung insbesondere bei der Oxidation und Abtrennung von Mangan stören.
Eisen und Mangan liegen im unbehandelten Wasser als Fe2+ bzw. Mn2+ gelöst vor. Belüftet man das Wasser oder bringt man es in Kontakt mit Ozon, so werden diese Verbindungen durch den Sauerstoff zu Fe3+ bzw. Mn4+ oxidiert und damit unlöslich. Sie fallen dann als Hydroxide Fe(OH)3 bzw. Mn(OH)4 aus, bilden Flocken und trennen sich so vom Wasser. Die Flocken werden in der Regel über Sandfilter abfiltriert. Seltener lässt man sie in Tanks sedimentieren (zu Boden sinken), wonach der klare Überstau dann abgezogen werden kann (dekantieren). Der Hydroxidschlamm wird durch Rückspülung wieder aus dem Sandfilter entfernt, wobei im Falle von Mangan häufig geringfügige Reste im Filterbett verbleiben und sich durch Alterung und weitere Oxidation in Mangandioxid (MnO2, "Braunstein") umwandeln, die als "Glasur" auf den Sandkörnern verbleibt. Dieser Braunstein katalysiert die eigentliche Oxidation des Mangans und beschleunigt und stabilisiert diesen Prozess. Daher empfiehlt es sich bei der Neubefüllung eines Filters mit neuem Sand einen gewissen Anteil dieses "aktivierten" Materials mit einzumischen, was die Einarbeitungszeit der Entmanganung deutlich reduziert. Auch die Anhebung des pH-Wertes durch mechanische Kohlendioxid-Reduzierung in einem Verdüsungsturm o. ä. kann hilfreich sein, da die Geschwindigkeit der Manganoxidation mit dem pH-Wert steigt (siehe Bild 1 & 2).
Durch mechanische Entgasung (Verdüsung, Verrieselung, etc.) wird nicht nur der Gehalt an gasförmigem Kohlendioxid verringert, sondern es können als Nebeneffekt auch andere gasförmige Wasserinhaltsstoffe wie Schwefelwasserstoff, Methan und auch Radium aus dem Wasser entfernt werden. Bei den Schwefelverbindungen sollte der pH-Wert vor der mechanischen Entgasung allerdings durch Imprägnierung mit CO2 soweit abgesenkt werden, dass das Dissoziationsgleichgewicht aus den ionogenen Spezies weitgehend zum gasförmigen Schwefelwasserstoff (H2S) verschoben wird (Bild 3). Wegen der Geruchsintensität des H2S ist in der Regel auch eine Abluftwäsche mit einem oxidierenden und gleichzeitig alkalisierenden Waschwasser erforderlich (Bild 4). Die Entgasung und die Abluftwäsche können dabei in praktisch baugleichen Kolonnen stattfinden.
Arsen kann im Wasser in Form von 3-wertigen oder 5-wertigen Verbindungen gelöst vorliegen. Es hat eine hohe Affinität zu festen Eisenverbindungen und wird in beiden Formen zu einem großen Teil durch "Mitfällung" in die Eisenflocke eingelagert und mit abfiltriert oder kann an eisenhaltigen Filtermaterialien irreversibel gebunden werden.
Bei der Oxidation des Ammoniums (Nitrifikation) ist zu beachten, dass der erste Schritt zum Nitrit führt, ausgeführt im wesentlichen durch Mikroorganismen aus der Gattung der Nitrosomonas. Diese sind in ammoniumhaltigen Wässern natürlicherweise in geringer Anzahl vorhanden und vermehren sich relativ schnell, wenn ihnen günstige Umweltbedingungen (Sauerstoff) angeboten werden. Der zweite Schritt zum Nitrat wird überwiegend durch die Gruppe der Nitrobacter durchgeführt. Da Nitrit in diesen Rohwässern natürlicherweise praktisch nicht vorkommt sind entsprechende Mikroorganismen extrem selten. In dem Maße, in dem im ersten Schritt jedoch Nitrit gebildet wird, verbessern sich auch für diese Populationen die Umweltbedingungen insofern, dass nennenswerte Mengen an Nitrit als "Futter" bzw. als Energielieferant angeboten werden, und sie beginnen ebenfalls, sich zu vermehren. So startet der 2. Schritt immer zeitverzögert zum 1. Schritt, was vorübergehend zu einem starken Nitrit-Peak im behandelten Wasser führt. Dieser kann bis zum einstelligen mg/l-Bereich ansteigen und damit den zulässigen Grenzwert vom 0,1 mg/l deutlich übersteigen. Diese Einarbeitungsphase kann sich über mehrere Wochen hinziehen und ist nicht vorausberechenbar (siehe Bilder 7 und 8, Einarbeitungsphase bei sehr ähnlichen Rohwässern mit identischer Behandlungstechnik, identischem Betreuungspersonal in demselben Mineralwasserbetrieb!).
Die Nitrifikation mit einfacher Sauerstoffanreicherung im Rohwasser vor der Filtration ist ausreichend bei niedrigen bis mäßigen Ammoniumgehalten, da bei dieser Umsetzung viel Sauerstoff benötigt wird. Mit einer einfachen Rohwasserbelüftung werden jedoch selten mehr als 10 mg/l Sauerstoff erreicht. Bei höheren Ammoniumgehalten wird daher ein sog. Trockenfilter (trickling filter) vorgeschaltet, bei dem das Wasser über einem Kiesbett im Gleichstrom in einen Luftstrom verdüst wird und durch den Kies unter ständigem Kontakt mit Frischluft nach unten tropft.
Durch eine geschickte Auswahl der für die Enteisenung/Entmanganung eingesetzten Filtermaterialien können darüber hinaus als willkommener Nebeneffekt auch Wasserinhaltsstoffe wie Fluorid, Radium und Uran gezielt und selektiv entfernt werden. Das gilt auch für Barium und Bor - zumindest in Behandlungsfällen, die nicht den EU-Richtlinien und der MTVO unterliegen. Dort werden sogar Ultrafiltration und Aktivkohle-Adsorption eingesetzt.
