Wasserwerk: die Aufbereitung am Wassertropfen erproben

Was das Modell zeigt

Ein Wasserwerk macht trübes Wasser klar, indem es feine Teilchen zu größeren Flocken verbindet, sie absetzen lässt und den Rest herausfiltert. Eine Desinfektion senkt anschließend das Risiko durch Mikroben. In Korea darf Leitungswasser höchstens 0,5 NTU haben. Ein klares Aussehen allein beweist nicht, dass Wasser sicher zu trinken ist.

Wer ein Glas am Küchenhahn füllt, bekommt klares, kaltes Wasser, das leicht nach Chlor riecht. Ein oder zwei Tage zuvor war es noch Teil eines braunen Flusses. Zwischen Fluss und Glas hat es ein Wasserwerk durchlaufen, das den größten Teil seiner Mühe auf ein einziges Problem verwendet: Tonkörner, die so klein sind, dass sie von allein nicht absinken.

Das Modell legt eine ganze Anlage auf einem Tisch aus, von links nach rechts. Ein Damm staut einen Stausee, und ein Entnahmeturm im Fluss zieht unter der Oberfläche Wasser ab. Eine Leitung führt es zum Zulaufbehälter, dann zu einem Schnellmischbehälter, in dem das Fällmittel zudosiert wird, anschließend durch drei Flockungskammern mit Paddeln, ein langes Absetzbecken, zwei Schnellsandfilter, ein Ozonkontaktbecken, einen Aktivkohlefilter und ein durch Leitwände unterteiltes Reinwasserbecken, in dem Chlor zugegeben wird. Eine Pumpe hebt das Wasser in einen Hochbehälter auf einem Hügel, und eine Leitung bringt es von dort hinunter zu einem Küchenhahn.

Die Vorführung beginnt damit, dass Sie als ein Tropfen in einem schlammigen Fluss unterhalb des Damms treiben. Die Kamera fährt hinter dem Tropfen her, während der Entnahmeturm ihn einsaugt, und steigt dann über die ganze Anlage. Das Schild über dem Tropfen zeigt die Trübung und die Bakterienzahl, die er an dieser Stelle mitführen würde, und das Diagramm in der Anzeige zeigt dieselben beiden Werte für jede Stufe. Der Mikroskopausschnitt zeigt ein Stück Wasser von 400 Mikrometern Breite.

Die Leiste auf der Bühne führt Sie in jede einzelne Stufe hinein: Entnahme (der Rechen vor der Entnahmeöffnung, ein Schnitt von etwa 2 m Breite), Flockung (1 mm Wasser, in dem Tonkörner auf das Fällmittel treffen und in maßstäblicher Größe zu Flocken verklumpen), Absetzen (ein Schnitt durch das Becken, in dem sich Schlamm am Boden sammelt), Filter (ein Schnitt durch das Anthrazit-Sand-Bett, etwa 1 m tief), Desinfektion (20 µm Wasser, in dem Bakterien, Viren und Cryptosporidium-Oozysten auf Chlor, Ozon und UV treffen) und Hahn (ein Glas). Ein Klick auf ein Gebäude auf dem Plan bewirkt dasselbe.

Die Regler verändern den Fluss und die Anlage: Flusstrübung (1 bis 1000 NTU), Fällmitteldosis (0 bis 150 mg/L), Tonkorngröße, pH, Filtergeschwindigkeit, Chlordosis, Ozon und Kohle, UV-Licht und Rückspülen. Die Rohwasserwerte (standardmäßig 10 NTU und 1000 Bakterien pro Milliliter) sind Modellwerte, ebenso die meisten Betriebseinstellungen; die Anzeige weist darauf hin. Die im Diagramm eingezeichneten Grenzen sind die echten koreanischen.

Warum Ton nicht von allein absinkt

Flusswasser sieht schlammig aus, weil es Ton- und Schluffteilchen enthält, die meist nur wenige Mikrometer groß sind. Die Trübung, gemessen in NTU (nephelometrische Trübungseinheiten), ist ein Maß dafür, wie stark diese Teilchen Licht streuen. Koreanische Vorschriften erlauben für Leitungswasser höchstens 0,5 NTU, und das sieht im Glas völlig klar aus.

Lässt man ein Glas mit schlammigem Wasser im Regal stehen, fällt der Sand in Sekunden heraus, doch die Trübung bleibt tagelang. Der Grund ist das Stokessche Gesetz. Eine kleine Kugel, die durch Wasser sinkt, erreicht eine gleichbleibende Geschwindigkeit

v = g × Δρ × d² / (18 × μ)

Dabei ist g die Schwerkraft, Δρ der Dichteunterschied des Teilchens zum Wasser, d sein Durchmesser und μ die Viskosität des Wassers (etwa 1,0 mPa·s bei 20 °C). Der Durchmesser geht quadratisch ein. Ein zehnmal kleineres Korn sinkt hundertmal langsamer.

Für ein Mineralkorn (2650 kg/m³) in Wasser von 20 °C ergibt das Modell:

Ein Absetzbecken, in dem das Wasser zwei oder drei Stunden bleibt, kann Sand und groben Schluff abfangen, doch der feine Ton, der das Wasser trübt, würde einfach hindurchgehen. Um ihn zu entfernen, muss das Werk die Teilchen größer machen.

Wie Fällmittel Körner verbinden

Tonkörner im Wasser tragen an der Oberfläche eine negative Ladung. Zwei Körner, die einander nahe kommen, stoßen sich ab, sodass sie sich nie berühren und die Trübung stabil bleibt. Deshalb bleibt das Glas im Regal trüb.

Im Schnellmischbehälter gibt das Werk ein Fällmittel zu, ein Aluminium- oder Eisensalz; koreanische Werke verwenden häufig Polyaluminiumchlorid. Die positiv geladenen Aluminiumverbindungen heben die Ladung der Körner auf, und ein Teil des Aluminiums bildet außerdem ein klebriges Hydroxid, das Körner zusammenfegt. Das Wasser wird etwa eine Minute lang kräftig gerührt, damit die Chemikalie jedes Korn erreicht, bevor sie abreagiert ist.

Die richtige Dosis hängt vom Wasser ab, und die Werke ermitteln sie mit einem Bechertest: eine Reihe von Bechergläsern mit verschiedenen Dosen, die gleich gerührt und nach dem Absetzen verglichen werden. Bei zu wenig Fällmittel bleiben viele Körner geladen. Bei zu viel können sie eine positive Ladung bekommen und stoßen sich wieder ab. Das Modell verwendet eine Beispielkurve eines Bechertests mit der besten Dosis bei 25 mg/L.

Flocken wachsen beim sanften Rühren

Nach der Schnellmischung müssen die destabilisierten Körner sich viele Male begegnen. Das Flockungsbecken rührt das Wasser mit langsamen Paddeln, und die Paddel in jeder Kammer drehen sich langsamer als in der vorigen. Anfangs hilft sanftes Mischen kleinen Körnern beim Zusammenstoßen. Später sind die Flocken groß und zerbrechlich, und schnelle Paddel würden sie zerreißen.

Eine Flocke ist keine feste Kugel. Sie ist ein lockerer, verzweigter Verbund, der viel Wasser enthält, sodass ihre mittlere Dichte der des Wassers umso näher kommt, je größer sie wird. Das Modell behandelt Flocken als fraktale Verbünde mit einer fraktalen Dimension von 2,2. Eine Flocke, die aus 2-µm-Körnern auf 120 µm gewachsen ist, ist nur 62 kg/m³ dichter als Wasser, ein einzelnes Korn dagegen 1650 kg/m³. Trotzdem sinkt sie wegen des quadrierten Durchmessers mit 1,76 m/h, etwa 140-mal schneller als die Körner, aus denen sie besteht.

Der Mikroskopausschnitt zeigt diese Veränderung. Bei einer Dosis von 0 ist das Bild voller einzelner Körner, die umhertanzen. Erhöht man die Dosis, ballen sich die Körner zu Klumpen zusammen; bei 25 mg/L stecken fast alle in Flocken.

Absetzbecken und Stokes

Das Absetzbecken ist ein langer Behälter, in dem sich das Wasser so langsam bewegt, dass es sich kaum zu bewegen scheint. Ein ideales Becken, ein Modell, das meist dem amerikanischen Ingenieur Allen Hazen zugeschrieben wird, liefert eine einfache Regel. Das Wasser tritt an einem Ende ein und am anderen aus, sodass jedes Teilchen die gleiche Zeit braucht, um das Becken zu durchqueren. Diese Zeit ist die Tiefe geteilt durch die Oberflächenbeschickung, also den Durchfluss geteilt durch die Oberfläche. Im Modell beträgt die Oberflächenbeschickung 1,5 m/h und die Tiefe 3,5 m, sodass das Wasser 2,3 Stunden im Becken bleibt.

Ein Teilchen, das schneller sinkt als die Oberflächenbeschickung, erreicht den Boden vor dem Auslauf, egal wo es gestartet ist. Ein langsameres Teilchen wird nur gefangen, wenn es tief genug gestartet ist. Der gefangene Anteil ist seine Sinkgeschwindigkeit geteilt durch die Oberflächenbeschickung. Im Schnittbild lässt sich das sehen: Jedes Teilchen bewegt sich mit derselben Geschwindigkeit quer durch das Becken, und jedes sinkt mit seiner eigenen Stokes-Geschwindigkeit, skaliert auf die Oberflächenbeschickung.

Hier sind die Modellwerte für den 2-µm-Flusston bei verschiedenen Fällmitteldosen (die Werte des gefilterten Wassers stammen aus der nächsten Stufe):

Der Regler für die Korngröße zeigt die andere Seite desselben Gesetzes. Lassen Sie die Dosis bei 25 mg/L und machen Sie den Flusston feiner. Bei 1-µm-Körnern erreichen die Flocken nur 60 µm, sinken mit 0,44 m/h, und das Becken fängt 29 % der Trübung; bei 0,5-µm-Körnern fängt es 7 %. Sehr feine Kolloide sind ein Grund dafür, dass reale Werke manchmal polymere Flockungshilfsmittel zugeben oder ein anderes Fällmittel wählen.

Filter fangen den Rest

Das abgesetzte Wasser enthält im Modell noch etwa 1 NTU, vor allem kleine Flocken. Es fließt abwärts durch einen Schnellfilter, ein Bett aus grobem Anthrazit über feinerem Sand über Kies, das auf einer Drainage mit Düsen ruht. Die koreanischen Vorschriften definieren Schnellfiltration als Betrieb mit 120 m oder mehr pro Tag, das sind 5 m/h.

Ein Filter ist kein Sieb. Die Zwischenräume zwischen den Sandkörnern sind viel größer als die Teilchen, und diese werden festgehalten, weil sie tief im Bett auf die Körner treffen und haften bleiben. Deshalb ist die Koagulation auch hier wichtig: Destabilisierte Teilchen haften viel besser. Das Modell lässt den Filter ohne Fällmittel 0,3 log und bei voller Koagulation 1,3 log entfernen, sodass aus 1 NTU 0,05 NTU werden. Die koreanischen Vorschriften verlangen, dass 95 % der monatlichen Proben des gefilterten Wassers höchstens 0,3 NTU haben und keine Probe über 1 NTU liegt.

Anthrazit ist leichter als Sand, daher bleibt die grobe Schicht nach dem Waschen oben. Das Bett verstopft langsam, und der Wasserstand darüber steigt. Dann wird die Zelle außer Betrieb genommen und rückgespült: Wasser, oft zuerst mit Luft, wird von unten durch das Bett gedrückt, sodass es sich aufweitet und die Körner sich gegenseitig sauberreiben, und das Schmutzwasser läuft in die Rinnen. Schalten Sie Rückspülen ein, dann sehen Sie, wie sich die rechte Zelle hebt und die Rinnen sich mit braunem Wasser füllen.

Ozon und Aktivkohle

Viele große koreanische Werke ergänzen nach den Filtern eine weitergehende Aufbereitung. In einem abgedeckten Kontaktbecken wird Ozon durch das Wasser geperlt. Es ist ein starkes Oxidationsmittel, das Stoffe wie Geosmin und 2-MIB abbaut, die bei einer Algenblüte einen erdigen Geschmack verursachen, und es tötet auch Mikroben ab. Danach durchläuft das Wasser ein tiefes Bett aus granulierter Aktivkohle, deren riesige innere Oberfläche die verbliebenen organischen Stoffe adsorbiert. Im Modell entfernen diese Schritte ein weiteres log Bakterien; schaltet man sie ab, nimmt das Wasser die Umgehungsleitung am Anfang.

Chlor wirkt durch Konzentration mal Zeit

Die Desinfektion ist die letzte Barriere. Bakterien wie E. coli sterben in wenig freiem Chlor innerhalb von Sekunden, aber Viren und Protozoenzysten wie Giardia brauchen viel mehr Einwirkung. Die Behörden messen diese Einwirkung als CT: die am Auslauf verbleibende Desinfektionsmittelkonzentration (mg/L) mal die Kontaktzeit (Minuten). In der US-amerikanischen Surface Water Treatment Rule, die dieselbe Idee verwendet, muss die Aufbereitung mindestens 99,9 % der Giardia-Zysten und 99,99 % der Viren entfernen oder inaktivieren, wobei sich Filtration und Desinfektion zu diesem Ziel addieren.

Die Zeit, die zählt, ist nicht die mittlere Zeit, sondern T10, die Zeit, in der die ersten 10 % des Wassers durchkommen. Ein einfacher Behälter lässt einen Teil des Wassers direkt hindurchschießen; deshalb hat das Reinwasserbecken Leitwände, die das Wasser zwingen, sich hin und her zu schlängeln. Das Modell verwendet T10 = 30 Minuten und nimmt an, dass das Wasser sofort 0,3 mg/L Chlor verbraucht. Eine Dosis von 1,0 mg/L lässt 0,7 mg/L übrig, also ist CT = 0,7 × 30 = 21 mg·min/L. Die koreanischen Vorschriften drücken das Ergebnis als Inaktivierungsverhältnis aus, also die erreichte CT geteilt durch die für Temperatur und pH erforderliche CT, und es muss mindestens 1 betragen.

Vom Reinwasserbecken zum Hahn

Pumpen heben das Wasser in einen Hochbehälter auf erhöhtem Gelände, der den Bedarf über den Tag ausgleicht und den Druck liefert, der das Wasser durch die Schwerkraft zu den Häusern treibt. Unterwegs reagiert das Chlor weiter mit den Rohrwänden und mit dem, was im Wasser verblieben ist. Das Modell lässt es 24 Stunden lang um 4 % pro Stunde abnehmen. Die koreanischen Vorschriften verlangen am Hahn mindestens 0,1 mg/L freies Chlor, sodass noch etwas Desinfektionsmittel vorhanden ist, falls etwas in die Rohre gelangt, und höchstens 4,0 mg/L.

Ziehen Sie am Chlorregler und beobachten Sie den letzten Punkt im Bakteriendiagramm. Bei 1,0 mg/L kommen 0,27 mg/L am Hahn an. Bei 0,6 mg/L sind es 0,12 mg/L, gerade genug. Bei 0,5 mg/L kommen nur 0,08 mg/L an, und das Modell lässt Bakterien in den Rohren nachwachsen, ein Beispiel dafür, warum es den Mindestwert gibt.

Trüberes Wasser braucht mehr Fällmittel und den richtigen pH

Im Modell wächst die beste Fällmitteldosis mit der Trübung des Flusses, nach (Trübung / 10 NTU)^0,45 × 25 mg/L: etwa 41 mg/L bei 30 NTU, 70 mg/L bei 100 NTU und 115 mg/L bei 300 NTU. Der Exponent ist ein Modellwert, der die übliche Form von Bechertest-Ergebnissen nachbildet, bei denen eine Verdopplung der Trübung die Dosis nicht verdoppelt. Bei zu wenig Fällmittel bleiben die meisten Körner einzeln; bei viel zu viel überziehen sie sich mit Ladung des anderen Vorzeichens und stoßen sich wieder ab, weshalb die Flockengröße jenseits der besten Dosis abnimmt.

Der pH ist ebenso wichtig wie die Dosis. Aluminiumhaltige Fällmittel arbeiten am besten in einem Fenster um den Neutralpunkt; im Modell sinkt der Anteil der Körner, die sich zu Flocken verbinden, bei pH 6 oder 8 auf etwa 64 % und bei pH 5,5 oder 8,5 auf 37 %. Reale Werke führen deshalb Bechertests bei mehreren pH-Werten durch und korrigieren den pH mit Säure oder Lauge, wenn sich der Fluss verändert.

Nach starkem Regen kann ein Fluss weit mehr Schluff mitführen als gewöhnlich. Auf der Bühne bleiben bei 300 NTU und der normalen Dosis von 25 mg/L nach dem Becken etwa 230 NTU und nach den Filtern 39 NTU. Mit etwa 115 mg/L kommen die Flocken zurück, das Becken lässt 5,5 NTU durch, und die Filter bringen es bei 5 m/h auf 0,27 NTU, knapp innerhalb der Grenze von 0,3 NTU. Dreht man die Filter auf 8 m/h hoch, kommt dasselbe Wasser mit 0,51 NTU heraus: Bei Sturzregen braucht man in der Regel nicht nur mehr Fällmittel, sondern auch langsameres Filtern.

Wenn der Filter voll wird

Ein Filterbett fängt Teilchen in den Räumen zwischen seinen Körnern, sodass es sich langsam füllt. Die Zeile Filterbeladung zählt das im Modell mit: Sie steigt schneller, wenn mehr Trübung den Filter erreicht und wenn der Filter schneller läuft. Solange die Beladung unter 100 % liegt, ändert sich am Auslauf nichts. Darüber beginnen Teilchen durchzubrechen, und die Trübung des Filtrats steigt rasch; im Modell ist sie bei 130 % etwa 13-mal höher. Betreiber beobachten den Druckverlust und die Trübung des Filtrats und spülen zurück, bevor es so weit kommt, indem sie Luft und Wasser von unten durch das Bett drücken, sodass es sich hebt und der Schmutz in die Rinnen gewaschen wird.

Drei Keime, drei Barrieren

Die Ansicht Desinfektion zeigt, warum Werke mehr als eine Barriere verwenden. Gewöhnliche Bakterien sterben in Chlor rasch. Viren brauchen mehr: Die US-Regeln rechnen für eine Abtötung von 4 log Viren mit einer CT von 6 mg·min/L bei 10 °C. Cryptosporidium-Oozysten haben eine Wand, die von üblichen Chlordosen kaum angegriffen wird; sie werden deshalb vor allem durch Koagulation und Filtration entfernt und durch UV inaktiviert, wofür für 4 log etwa 22 mJ/cm² nötig sind.

Auch der pH verändert das Chlor. Freies Chlor ist eine Mischung aus hypochloriger Säure (HOCl, grüne Punkte) und Hypochlorit-Ion (OCl⁻, hellblaue Punkte). Das Verhältnis hängt vom pH ab, wobei bei etwa pH 7,5 von beiden die Hälfte vorliegt: Bei pH 7 sind etwa 78 % HOCl, bei pH 8,5 nur noch etwa 10 %. HOCl ist das bei Weitem stärkere Desinfektionsmittel, daher tötet dasselbe Chlor im Modell Viren in alkalischem Wasser viel langsamer ab. Bei pH 8,5 und 0,8 mg/L sinkt die Virenabtötung von 6 log oder mehr auf etwa 1,3; eine Erhöhung der Dosis auf 2,0 mg/L bringt sie wieder über 4 log, ebenso die Rückkehr des pH auf 7.

Die letzte Zeile der Anzeige nennt die Desinfektions-logs für Bakterien, Viren und Cryptosporidium. Die Gesamtzahl für die ganze Anlage, die die Aufgaben für Cryptosporidium verwenden, enthält zusätzlich die Entfernung durch Absetzen und Filtern, die das Modell an die Trübungsentfernung koppelt.

Ein Tag Ihres Wassers

Seoul lieferte 2025 im Durchschnitt 3.084.211 m³ Wasser pro Tag, 307 Liter pro Person, wobei Läden und Büros ebenso mitgezählt sind wie Wohnungen. Das Modellwerk erzeugt 100.000 m³ pro Tag, etwa 1157 Liter pro Sekunde, sodass 307 Liter etwa eine Viertelsekunde dauern, und sein Tageswasser reicht bei diesem Verbrauch für etwa 326.000 Menschen. Beim durchschnittlichen Haushaltspreis von Seoul von 600,5 Won pro m³ im Jahr 2025 kostet ein Liter Leitungswasser etwa 0,6 Won, bevor Abwassergebühren hinzukommen.

Was das Modell auslässt

Die Anlage ist in kleinem Maßstab gezeichnet, und die Bauteile stehen nicht im gleichen Maßstab zueinander. Ein echtes Absetzbecken ist 50 bis 100 Meter lang und mehrere Meter tief, und ein mittelgroßes Werk hat ein Dutzend oder mehr Filterzellen. Die Teilchengrößen auf dem Bildschirm folgen dem Logarithmus der echten Größe, weil ein 2-µm-Korn und eine 120-µm-Flocke nicht beide im wahren Maßstab zu sehen wären.

Die Rechnungen sind absichtlich vereinfacht. Echtes Flusswasser enthält eine breite Streuung von Teilchengrößen, nicht nur eine, und das Flockenwachstum hängt nicht nur von der Dosis ab, sondern auch von Mischenergie, Temperatur, pH und der Chemie des Wassers. Echte Becken sind nicht ideal; Strömungen und Wind verschlechtern ihre Leistung. Die Filterentfernung und die Bakterienzahlen sind Beispielwerte, die den Trend zeigen sollen. Das Nachwachsen in den Rohren ist eine Karikatur eines echten Risikos, keine Messung. Werke korrigieren außerdem den pH, schalten manchmal eine Vorchlorung vor und müssen den Schlamm entsorgen, was das Modell nur als braune Schicht auf dem Beckenboden zeigt.

Die neueren Regler beruhen auf weiteren Modellwerten: Die beste Dosis wächst mit (Trübung / 10 NTU)^0,45, das pH-Fenster ist eine Glockenkurve um pH 7 mit einer Breite von 1,5 Einheiten, die Filterentfernung skaliert mit der Wurzel aus 5 m/h geteilt durch die Filtergeschwindigkeit, die Filterbeladung steigt mit der 0,4-ten Potenz der abgesetzten Trübung, und der Durchbruch wächst 40-mal so schnell wie die Überlastung. Ozon ergänzt 1 log für Bakterien, 2 für Viren und 0,5 für Cryptosporidium, UV ist auf 40 mJ/cm² eingestellt, und Viren und Oozysten folgen im Werk der Hälfte beziehungsweise neun Zehnteln des log der Trübungsentfernung. Die Geruchslinien über dem Glas beginnen bei 1,0 mg/L am Hahn, einer Modellschwelle: Die WHO weist darauf hin, dass manche Menschen Chlor schon bei nur 0,3 mg/L schmecken können, und die Grenze von 4,0 mg/L liegt weit darüber. Die Nahansichten haben keinen gemeinsamen Maßstab: Jede Bildunterschrift nennt ihren eigenen.

Rechenbeispiel: ein Werk für täglich 100.000 Kubikmeter

Die Ausstellung nennt Geschwindigkeiten und Tiefen, aber nicht die Größe der Behälter. Hier ist eine grobe Dimensionierung für ein Werk einer mittelgroßen Stadt mit 100.000 m³ Wasser pro Tag. Der Durchfluss ist eine Annahme, ebenso die Zahl der Behälter; die Raten sind die im Modell verwendeten.

• Durchfluss. 100.000 m³/Tag sind 4167 m³/h oder 1,16 m³/s.
• Absetzbecken. Bei einer Oberflächenbeschickung von 1,5 m/h beträgt die gesamte Oberfläche 4167 ÷ 1,5 = 2778 m². Bei 3,5 m Tiefe sind das 9722 m³, und das Wasser bleibt 9722 ÷ 4167 = 2,3 Stunden, der in der Ausstellung gezeigte Wert. In der Praxis wird diese Fläche auf mehrere Becken verteilt, damit eines zur Reinigung geleert werden kann.
• Was, wenn sich der Durchfluss verdoppelt? An einem Sturmtag muss ein Werk unter Umständen die doppelte Wassermenge durch dieselben Becken schicken. Die Oberflächenbeschickung wird zu 3,0 m/h. Die Flocken bei 25 mg/L sinken mit 1,76 m/h, also sagt die Regel des idealen Beckens, dass nur 1,76 ÷ 3,0 = 59 % von ihnen gefangen werden, und das Wasser bleibt 1,2 Stunden statt 2,3. Die Filter bekommen dann eine viel stärkere Flockenlast, weshalb Betreiber den Durchfluss senken oder die Dosis erhöhen, wenn der Fluss trüb wird.
• Fällmittel. 25 mg/L sind 25 g pro m³, also benötigen 100.000 m³ täglich 2500 kg Produkt, etwas über 100 kg in jeder Stunde. Die beste Dosis wird mit einem Bechertest ermittelt und ändert sich mit jedem Sturm, daher wird die Pumpenleistung oft angepasst.
• Filter. Bei der Mindestgeschwindigkeit der Schnellfiltration von 5 m/h beträgt die Filterfläche 4167 ÷ 5 = 833 m². Ein Werk kann nicht alle Zellen gleichzeitig waschen. Bei 12 Zellen zu je 70 m² ist im ungünstigsten Fall immer eine Zelle zum Rückspülen außer Betrieb, sodass 11 × 70 = 770 m² bleiben und die Geschwindigkeit in den übrigen auf 4167 ÷ 770 = 5,4 m/h steigt.
• Reinwasserbecken. Wenn die Leitwände T10 = 30 Minuten ergeben und gut genug sind, dass T10 die Hälfte der mittleren Aufenthaltszeit beträgt (angenommen), muss der Behälter 60 Minuten Durchfluss fassen, 4167 m³. Ein Behälter ohne Leitwände hätte ein T10, das weit unter seiner mittleren Zeit läge, und müsste für dieselbe CT viel größer sein.
• Chlor. Eine Dosis von 1,0 mg/L sind 1,0 g pro m³, also 100 kg Chlor am Tag, von denen der Chlorbedarf von 0,3 mg/L sofort 30 kg verbraucht.

Die letzte Zeile vergessen die Leute, wenn sie CT = 21 mg·min/L sehen. Die CT hängt von der Temperatur ab. In ihrem Leitfaden zur Profilerstellung nennt die US-EPA für eine 3-log-Inaktivierung von Giardia bei 6 °C, pH 6,7 und 1,0 mg/L Chlor eine CT von 127,9 min·mg/L. Betreibt man dasselbe Reinwasserbecken an einem winterlichen Fluss, wären die 21 mg·min/L dieses Beispiels nur etwa 16 % dessen, was diese Tabelle verlangt. Bei kaltem Wetter muss das Werk die Restkonzentration erhöhen, die Kontaktzeit verlängern oder eine andere Barriere einsetzen.

Chlor, Ozon, UV und Membranen im Vergleich

Jede Barriere ist bei etwas gut und bei etwas anderem schwach, weshalb ein Oberflächenwasserwerk mehrere davon hintereinander schaltet.

Die UV-Zahlen zeigen das Muster. Die UV-Dosistabelle der EPA nennt 12 mJ/cm² für eine 3-log-Inaktivierung (99,9 %) von Cryptosporidium und 11 mJ/cm² für Giardia, aber 143 mJ/cm² für eine 3-log-Inaktivierung von Viren, fast zwölfmal so viel. Eine Dosis in mJ/cm² ist die Lampenintensität in mW/cm² mal die Sekunden der Bestrahlung, sodass ein Reaktor, der 6 Sekunden lang 2 mW/cm² liefert, 12 mJ/cm² abgibt. Deshalb sagt das UV-Toolkit der EPA, ein Werk könne UV gegen die Protozoen und Chlor gegen die Viren einsetzen, wobei das Chlor hinter dem UV zugegeben wird.

Desinfektionsmittel reagieren auch mit den organischen Stoffen im Wasser und bilden Nebenprodukte. Die EPA begrenzt die gesamten Trihalogenmethane auf 0,080 mg/L und fünf Halogenessigsäuren auf 0,060 mg/L und setzt für Chlor und für Chloramine einen Höchstwert für den Restgehalt von 4,0 mg/L. Die Grenzwerte für die Nebenprodukte sind ein Grund, warum Werke organische Stoffe durch Koagulation und Kohle entfernen, bevor sie Chlor zugeben, statt einfach mehr davon zu dosieren.

Vier reale Fälle

Soho, London, 1854. Im September 1854 starben rund um die Broad Street innerhalb einer Woche etwa 600 Menschen an Cholera. Die vorherrschende Meinung war, die Cholera reise in schlechter Luft. John Snow kartierte die Fälle und argumentierte, dass Wasser aus der Pumpe an der Broad Street die Krankheit trage; der Pumpengriff wurde entfernt, und die Epidemie endete, obwohl sie schon abnahm, weil die Menschen das Viertel verließen. Snow verglich außerdem Häuser, die von zwei Wasserversorgern beliefert wurden, von denen einer an einem mit Abwasser verschmutzten Abschnitt der Themse entnahm und der andere weiter flussaufwärts. Der Fall wird gelehrt, weil er zeigt, dass die Frage „Woher kam dieses Wasser?“ mit einer Karte und einer Zählung beantwortet werden kann, zu einer Zeit, als die Keimtheorie noch eine unbewiesene Minderheitsmeinung war.

Jersey City, 1908. Die Filtration der frühen 1900er-Jahre senkte die Trübung, doch nach der Geschichte der Trinkwasseraufbereitung der EPA haben Desinfektionsmittel wie Chlor in jenen Jahren am meisten dazu beigetragen, wasserbedingte Krankheitsausbrüche zu verringern. Jersey City in New Jersey nutzte 1908 erstmals Chlor als primäres Desinfektionsmittel. Das ist die Praxis hinter dem Regler für die Chlordosis.

Flint, Michigan, 2014 bis 2015. Im April 2014 wechselte die Stadt ihre Quelle zum Flint River, und ein Werk, das fast 50 Jahre lang nicht voll in Betrieb gewesen war, musste es aufbereiten. Eine begutachtete Übersichtsarbeit zur Krise stellt fest, dass der Versorger keinen Plan zur Korrosionskontrolle hatte und dass vor dem Wechsel nicht genügend Pilotversuche und Korrosionsstudien durchgeführt worden waren. 2015 beprobten Marc Edwards und Kollegen 120 Haushalte: 20 % lagen über dem Maßnahmenwert für Blei von 15 µg/L, und das 90. Perzentil betrug 30 µg/L. Das Wasser wurde behandelt wie jedes andere Flusswasser. Es fehlte die Korrosionskontrolle, also die Chemie, die verhindert, dass alte Bleirohre Blei an das Wasser abgeben. Am 16. Oktober 2015 kehrte die Stadt zu ihrem früheren Lieferanten zurück. Die Ausstellung endet am Hahn, aber dieser Fall zeigt, dass die Aufgabe eines Werks in den Rohren weitergeht.

Koreanische Städte, weitergehende Aufbereitung. Die Wasserwerksdirektion Incheon gibt an, sie habe 2016 mit dem Werk Bupyeong begonnen, ihre Werke auf weitergehende Aufbereitung (Ozonoxidation plus granulierte Aktivkohle) umzustellen, 2021 das Werk Gongchon abgeschlossen und plane, das Werk Susan bis 2026 fertigzustellen. Sie weist außerdem darauf hin, dass das Umweltministerium im Oktober 2023 Zuckmückenlarven (Chironomiden) in die Überwachungsgrößen für Trinkwasser aufgenommen hat, weil schlecht gewartete Aktivkohlebetten von ihnen besiedelt werden können. Weitergehende Aufbereitung löst das Geschmacks- und Geruchsproblem und bringt eigene Wartungsarbeit mit sich.

Wasserqualitätszahlen aus drei Quellen

Die drei Zahlenwerke sind für unterschiedliche Zwecke geschrieben. Die WHO veröffentlicht Richtwerte, die Regierungen anpassen sollen. Die EPA schreibt gesetzliche Grenzwerte (MCL) und Behandlungstechniken (TT) vor. Korea legt Grenzwerte in Verordnungen fest. Es sind nicht immer dieselben Größen, daher sollte man sie mit Vorsicht vergleichen.

Das Modell zeichnet nur die Zeilen für Trübung und Chlor in das Diagramm, weil diese Größen von den drei Reglern verändert werden.

Häufige Missverständnisse

• „Mehr Fällmittel klärt immer mehr Wasser.“ Die Bechertestkurve sagt etwas anderes. Im Modell ergeben 60 mg/L Flocken von 72 µm, die mit 0,95 m/h sinken und nach den Filtern 0,80 NTU hinterlassen, schlechter als 25 mg/L mit 0,050 NTU.
• „Klares Wasser ist sicheres Wasser.“ Die Trübung misst, wie stark Teilchen Licht streuen. Ein Glas kann kristallklar sein und trotzdem gelöstes Blei oder Mikroben enthalten, die zu klein sind, um viel Licht zu streuen. Deshalb zeigt das Diagramm Bakterien und Trübung als getrennte Linien, und deshalb wurden die Proben in Flint auf Blei untersucht, nicht auf Klarheit.
• „Ein Filter ist ein feines Sieb.“ Die Poren sind viel größer als die meisten Teilchen, die er entfernt. Die Körner halten sie durch Kontakt tief im Bett fest, weshalb ein Filter nach der Koagulation besser arbeitet.
• „Chlor tötet alles.“ Die WHO stellt fest, dass Chlor gegen Cryptosporidium-Oozysten nicht wirksam ist. Dafür verlassen sich Werke auf Filtration und manchmal auf UV oder Ozon.
• „Mit dem Verlassen des Werks ist das Wasser in Ordnung.“ Der Restwert am Hahn, in der Voreinstellung des Modells 0,27 mg/L, ist da, weil auch die Rohre Teil des Systems sind.

Auf dem Bildschirm ausprobieren

1. Setzen Sie die Fällmitteldosis auf 0. Das Mikroskop zeigt einzelne Körner, und das Diagramm endet nach den Filtern bei etwa 5,0 NTU, die Grenze von 0,5 NTU um den Faktor zehn verfehlt.
2. Erhöhen Sie die Dosis langsam, bis der Wert nach den Filtern zum ersten Mal unter 0,3 NTU fällt. Die Tabelle oben sagt, dass das zwischen 10 und 25 mg/L geschehen muss.
3. Drehen Sie die Dosis auf 60. Die Flocken schrumpfen auf 72 µm, und das Ergebnis wird schlechter. Gehen Sie zurück auf 25.
4. Bewegen Sie bei einer Dosis von 25 die Tonkorngröße auf 0,5 µm. Das Becken fängt nur 7 % der Trübung.
5. Schalten Sie Ozon und Aktivkohle aus und beobachten Sie, wie das Wasser die Umgehungsleitung nimmt. Schalten Sie sie wieder ein.
6. Schalten Sie Rückspülen ein und sehen Sie sich die rechte Zelle an, während sich die Rinnen füllen.
7. Setzen Sie die Chlordosis auf 0,5 mg/L und verfolgen Sie den letzten Punkt des Bakteriendiagramms. Bei 0,6 mg/L besteht es gerade noch, bei 0,5 mg/L fällt es durch.
8. Schalten Sie am Reinwasserbecken Innen ansehen ein und folgen Sie den Leitwänden mit Der Tropfen. Nutzen Sie Teilenamen, wenn Sie den Überblick verlieren.
9. Drücken Sie in der Leiste auf Flockung, setzen Sie die Dosis auf 0 und dann zurück auf 25 und sehen Sie zu, wie sich die Körner zu Flocken zusammenballen. Bewegen Sie danach den pH auf 6 und auf 8,5.
10. Setzen Sie die Flusstrübung auf 300 NTU und drücken Sie Absetzen. Erhöhen Sie die Dosis, bis die Anzeige wieder innerhalb der Grenzen liegt, und probieren Sie dann die Filtergeschwindigkeit 8 m/h.
11. Lassen Sie in Filter die Bühne weiterlaufen und beobachten Sie, wie die Filterbeladung steigt. Spülen Sie zurück, bevor sie 100 % erreicht.
12. Stellen Sie in Desinfektion den pH auf 8,5: Die grünen Punkte weichen hellblauen, und weniger Viren werden grau. Schalten Sie dann UV-Licht ein und beobachten Sie die orangen Oozysten.
13. Starten Sie unter Selbst ausprobieren die Aufgaben; die Plakette auf der Bühne zählt die gelösten. Mein Wasser rechnet Ihren täglichen Wasserverbrauch in Sekunden Anlagenzeit um.