Themenwelt - Wasserbehandlung

6.1 Funktionsprinzip

Mit dem Ionenaustausch kann Wasser gezielt aufbereitet werden. Die im Wasser gelösten elektrischen Ladungsträger werden entfernt bzw. ausgetauscht. Das Wasser wird so für den jeweiligen Anwendungszweck brauchbar gemacht. Der Ionenaustausch wird u. a. zur Wasserenthärtung eingesetzt. Die mit Hydrogenkarbonat assoziierten Kalzium- und Magnesiumionen (Härtebildner) werden aus dem Wasser entfernt und durch Natriumionen ersetzt. Natriumverbindungen sind löslicher als Kalzium- und Magnesiumverbindungen und bilden keine schwer löslichen Rückstände. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. das Ionenaustauscherharz kann durch Spülung mit einer konzentrierten Natriumchloridlösung regeneriert werden.

Das harte Wasser durchströmt den Ionenaustauscher:

Ca²⁺/Mg²⁺ + 2Na·R → Ca/Mg·R + 2Na

Das Ionenaustauscherharz wird mit einer konzentrierten Natriumchloridlösung (NaCl) regeneriert:

Ca/Mg·R + 2Na⁺Cl⁻ → 2Na·R + Ca²⁺/Mg²⁺Cl₂⁻

Das enthärtete Wasser hat denselben Salzgehalt, dieselbe Karbonat-Konzentration und praktisch dieselbe Leitfähigkeit wie das Hartwasser. Statt der schwer löslichen Kalzium- und Magnesiumhydrogenkarbonate enthält es jedoch Natriumhydrogenkarbonat, das nicht als Kalk ausfällt.

Der stark saure Kationenaustauscher besteht aus einem Granulat bei dem die kugeligen Körner in einer Grössenordnung vom 0.2 bis 1.2 mm vorliegen.

Aktuell wird auch monodisperses Ionenaustauscherharz mit einer perfekten, gleichförmigen Korngrösse von ca. 0.5 mm für die Enthärtung eingesetzt. Die Einheitlichkeit der Korngrösse bewirkt eine grössere spezifische Oberfläche, kürzere Diffusionswege sowie eine höhere Austauschgeschwindigkeit. Die dadurch erzielte bessere Ausnutzung der Kapazität ermöglicht eine Reduktion des Regeneriermittelbedarfs und verbessert das Ausspülverhalten.

Die Nussbaum Wasserenthärter Aqua Pro-Vita 19051/19053 enthalten monodisperses Ionenaustauscherharz.

Die Aufnahmekapazität des Ionenaustauscherharzes hängt von der Gesamthärte des Rohwassers und der Menge der Ionenaustauscherharze ab. Sobald alle Natriumionen gegen Kalzium- und Magnesiumionen ausgetauscht sind, ist das Ionenaustauscherharz erschöpft.

Wichtige Parameter beim Ionenaustauschverfahren:

• 1 Liter Ionenaustauscherharz kann 5 m³ (5000 l) Wasser um 1 °fH enthärten.

• Pro 1° fH/0.1 mmol werden bei der Enthärtung 4.6 mg/l Natrium abgegeben.

Wasserenthärter Aquapro-Vita

Artikel-Nr.: 19053

Wasserenthärter Aquapro-Vita Compact

Artikel-Nr.: 19051

6.1.1 Ionenaustausch schematisch

	Magnesium und Kalzium treffen auf das Ionenaustauscherharz (G), wobei Natrium verdrängt wird und Magnesium und Kalzium aufgenommen werden.
	Die Anlage ist erschöpft und die Regeneration wird eingeleitet. Hierfür wird eine Sole (Natriumchlorid) über das erschöpfte Ionenaustauscherharz (G) geleitet.
	Natriumionen treffen auf das Ionenaustauscherharz (G). Durch die stark erhöhte Konzentration an Natrium werden die anderen Kationen verdrängt.
	Die Regeneration des Ionenaustauscherharzes (G) ist beendet. Nach dem Spülvorgang, der die überschüssigen Natriumionen ausspült, ist die Anlage wieder betriebsbereit.
	Das Ionenaustauscherharz (G) kann wieder Kalzium- und Magnesiumionen aufnehmen.

6.2 Informationen zur Auslegung der Wasserenthärtergrösse

Sole:

• Der Salzverbrauch um 1 l Harz zu regenerieren = 120 g NaCl

• Die maximale Solesättigung (Aufnahme von NaCl in einem Liter Wasser bei 20 °C) = 359 g NaCl

Die Dauer bis zur Sättigung ist abhängig vom Druck, der Temperatur und der Art der Benetzung des Salzes. Die maximale Solesättigung ist nach circa 10 bis 12 Stunden Benetzung erreicht.

Die Kapazität des eingesetzten Harzes

Mit der Kapazitätsberechnung kann ermittelt werden, wie viel Harz (V_Ges) für eine Wasserenthärtung nötig ist und wie viel Liter Wasser durch den Wasserenthärter gespeist werden können, bis das Harz erschöpft ist.

• 1 Liter Harz kann 5000 Liter Rohwasser um 1 °fH enthärten.

Berechnungsbeispiel zur Auslegung der Wasserenthärtergrösse:

Ausgangslage:

Das ergibt eine Senkung des Härtegrades um 27 °fH

Δ °fH = 27

Gemäss EN 14743 muss spätestens nach 4 Tagen eine Regeneration durchgeführt werden.

V_tot pro Tag = 4 × 142 l = 568 l/Tag

V_tot pro Tag × 4 Tage × Δ °fH = 568 l × 4 × 27 = 61 344 l

Die Harzmenge (V_Ges) beträgt 12.3 l.

Der Wasserenthärter Aquapro-Vita Compact 10 (19051) mit 10 Liter Harzinhalt garantiert einen optimalen Betrieb, bei einem Regenerationszyklus von 3.3 Tagen. Dabei ist auch der Druckverlust beim Spitzendruchfluss über den Wasserenthäter berücksichtigt. Es ist zudem sichergestellt, dass das Harz bei dem angegebenen Regenerationszyklus vollständig erschöpft ist und nicht durch Zwangsregeneration nach 4 Tagen vorzeitig regeneriert werden muss.

Wasserenthärter Aquapro-Vita Compact

Artikel-Nr.: 19051

6.2.1 Nussbaum Tools

Nussbaum stellt online unter www.nussbaum.ch/planungstools 2 Hilfsmittel zur Verfügung. Für Wohnbauten ein Tool zur Auslegung von Wasserenthärtern und für Spezialbauten ein Formular mit dem eine Anfrage zur Ermittlung des Wasserenthärter-Typen an Nussbaum gestellt werden kann.

6.3 Rechtliche Vorgaben und Empfehlungen zur Wasserenthärtung

• Bei der Enthärtung des Trinkwassers ist sicherzustellen, dass die Natriumkonzentration den Wert von 200 mg/l (EU-Richtlinie 98/83) nicht überschreitet.

• Die Resthärte sollte nicht zu gering eingestellt werden. Der SVGW empfiehlt eine Resthärte von 7 bis 15 °fH (vgl. SVGW-Merkblatt W10027, Kapitel 9).

6.4 Nussbaum Empfehlungen zur Einstellung der Resthärte

Standardmässig wird die Resthärte auf 8 °fH eingestellt.

Bei Kupferrohren kann enthärtetes Wasser zu Korrosion führen. Deshalb sollte nicht unter 15 °fH enthärtet werden.

Bei verzinkten Installationen sollte die Resthärte nicht zu gering eingestellt werden, damit die Kalkschutzschichten auf der Rohrinnenwand aufgebaut oder erhalten werden. Nussbaum empfiehlt 15 °fH.

6.5 Überprüfung des Natriumgehalts in Trinkwasserinstallationen

Bei der Enthärtung mit Ionenaustauschern steigt die Natriumkonzentration im Trinkwasser. Der Wert von 200 mg/l (EU-Richtlinie 98/83) darf dabei nicht überschritten werden. Bei höheren Natriumkonzentrationen muss eine Beimischung von unbehandeltem Trinkwasser erfolgen, um den Grenzwert einzuhalten.

Mit folgenden Berechnungen kann die Einstellung der Resthärte sowie der Gesamt-Natriumgehalt ermittelt werden.

6.5.1 Herleitung des Natriumverbrauchs pro °fH

Zur Berechnung von chemischen Stoffmengen wird die SI-Basiseinheit Mol verwendet.

Ein Mol enthält etwa 6.022 × 10²³ Teilchen. Diese Zahl ist so definiert, dass12 g Kohlenstoff genau einem Mol entsprechen.

Das heisst, 1 Mol eines Stoffes angegeben in Gramm hat den gleichen Zahlenwert wie die Atommasse des Stoffes in der Atommasseneinheiten (u). (Die Atommasse von Kohlenstoff beträgt 12 u.)

Mollmassen verschiedener chemischer Elemente und Verbindungen

Per Definition entsprechen 10 mg/l Gesamthärte (Kalzium- und Magnesiumhärte) einem französischen Härtegrad (1 °fH), 👉 Umrechnung für die Einheiten der Wasserhärte.

10 mg/l CaCO₃ entsprechen 0.1 mmol/l CaCO₃

Daraus folgt:

0.1 mmol/l CaCO₃ entsprechen 1 °fH.

Für den Ladungsausgleich eines Kalziumions (Ca²⁺) werden 2 Natriumionen (Na⁺) benötigt, d. h. um 0.1 mmol/l Ca²⁺ auszutauschen, werden 0.2 mmol/l oder 4.6 mg/l Na⁺ benötigt.

Daraus folgt:

Um 1 °fH auszutauschen, sind rund 4.6 mg/l Na⁺ erforderlich.

6.5.2 Berechnung der Einstellung der Resthärte

Übersteigt der Natriumgehalt den Höchstwert von 200 mg/l (EU-Richtlinie 98/83), macht sich dies geschmacklich bemerkbar. Bei einer Enthärtung des Trinkwassers muss deshalb ein Mischventil sicherstellen, dass die Resthärte des enthärteten Wassers so eingestellt werden kann, dass die Natriumkonzentration im Trinkwasser den Höchstwert nicht übersteigt.

Bei der Berechnung der Resthärte müssen der Natriumgehalt und die Härte des Rohwassers der Wasserversorgung berücksichtigt werden.

6.5.2.1 Berechnungsbeispiel bei moderatem Natriumgehalt der Wasserversorgung

Ausgangslage:

Um mit dem Ionenaustauscher die Härte vollständig zu entfernen (0 °fH) wird folgende Natriummenge benötigt:

4.6 mg/l Na pro 1 °fH

35 × 4.6 mg/l Na = 161 mg/l Na (Regenerationsanteil)

Natriumgehalt total (Grundanteil + Regenerationsanteil) = 11 mg/l + 161 mg/l = 172 mg/l

Selbst bei vollständiger Entfernung der Härte liegt der Natriumgehalt unterhalb des von der EU-Richtlinie geforderten Werts. Eine Beimischung von unbehandeltem Trinkwasser ist nicht erforderlich.

Die Resthärte kann optimal zwischen 7 und 15 °fH eingestellt werden.

6.5.2.2 Berechnungsbeispiel bei hohem Natriumgehalt der Wasserversorgung

Ausgangslage:

Um mit dem Ionenaustauscher die Härte vollständig zu entfernen (0 °fH) wird folgende Natriummenge benötigt:

4.6 mg/l Na pro 1 °fH

37.6 × 4.6 mg/l Na = 173 mg/l Na (Regenerationsanteil)

Natriumgehalt total (Grundanteil + Regenerationsanteil) = 107 mg/l + 173 mg/l = 280 mg/l

Der Natriumgehalt überschreitet den von der EU-Richtlinie geforderten Höchstwert um 80 mg/l. Eine Beimischung von unbehandeltem Trinkwasser ist erforderlich.

Ist der Natriumgehalt im Rohwasser der Wasserversorgung und der Natriumgehalt nach dem Ionenaustauscher bekannt, können aufgrund des maximal zulässigen Natriumgehalts von 200 mg/l die Durchflussanteile aus der Wasserversorgung und aus der Enthärtungsanlage einfach berechnet und damit die einzustellende Resthärte bestimmt werden.

Berechnung der Resthärte mittels Mischkreuz

Die Berechnung der Resthärte mittels Mischkreuz ist eine einfache Art, um die Mischanteile und die einzustellende Resthärte zu berechnen. Sie basiert auf dem mathematischen Prinzip einer Gleichung mit mehreren Unbekannten der Form:

c₁ × V₁ + c₂ × V₂ = c₃ (V₁ + V₂)

Bei einer Trinkwasserbeimischung aus der Wasserversorgung von 46.2 % ergibt sich folgende Resthärte:

46.2 % von 37.6 °fH = 17.4 °fH

Berechnung der Resthärte aufgrund des Natriumüberschusses

Bei einem Natriumüberschuss von 80 mg/l und 4.6 mg/l Na pro 1 °fH ergibt sich folgende Resthärte:

80 mg/l ÷ 4.6 mg/l Na pro 1 °fH = 17.4 °fH

Berechnung der Durchflussanteile

Bei einem, für das entsprechende Objekt eingestellten repräsentativen Wasserdurchfluss, ist mithilfe des Mischventils so viel unbehandeltes Trinkwasser aus der Wasserversorgung beizumischen, bis am Probenahmeventil nach der Enthärtung eine Wasserhärte von 17 bis 18 °fH gemessen wird.

6.6 Eindämmung der Verkeimung

Die an der Oberfläche des Ionenaustauscherharzes filtrierten Mikroorganismen können sich im Harzbett vermehren und zu einer Verkeimung der Anlage führen. Das Wachstum kann durch einfache Massnahmen eingedämmt werden:

• Beimischung von Silberharz (ca. 1 %) zum Ionenaustauscherharz

• Aufstellungsort mit kühler Raumtemperatur

• Kurze Regenerationszyklen

Eine gesättigte Salzlösung wirkt keimtötend. Deshalb empfiehlt Nussbaum einen Regenerationszyklus von 2 bis 4 Tagen.

6.7 Aufstellungsort

Eine Enthärtungsanlage muss an einem kühlen, temperaturkonstanten Ort aufgestellt werden. Eine Trinkwassertemperatur von 25 °C darf nicht überschritten werden.

6.8 Einbau

Beim Einbau einer Enthärtungsanlage müssen folgende Voraussetzungen und Hinweise beachtet werden:

• Es gelten die Bestimmungen der SVGW-Richtlinie W3.

• Der Einbau darf nur durch qualifizierte Sanitärfachkräfte unter Berücksichtigung der örtlichen Bauvorschriften erfolgen.

• Für den Unterhalt und Kontrolle müssen die Komponenten leicht zugänglich sein.

• Unterbrechungen der Hauswasserversorgung bei Servicearbeiten müssen durch Umgehung der Wasserversorgung vermieden werden.

• Probenahmeventile sind vor und nach der Enthärtungsanlage vorzusehen.

• Der Einbau der Anlage muss nach einer Rückflussverhinderung eingebaut werden, um das Zurückfliessen von unerwünschten Stoffen in die Hausanschlussleitung zu verhindern.

• Der Druckverlust muss beachtet werden.

6.9 Kontrolle und Unterhalt

Enthärtungsanlagen müssen gemäss dem Schweizer Lebensmittelrecht regelmässig unter Berücksichtigung der SVGW-Richtlinie W3/E2 kontrolliert und von entsprechend ausgebildeten Personen unterhalten und dokumentiert werden.

Für den korrekten Betrieb ist der Eigentümer oder dessen Beauftragter verantwortlich. Er ist zur Selbstkontrolle verpflichtet, d.h. er muss dafür sorgen, dass die Anforderungen des Schweizer Lebensmittelrechts erfüllt werden.

Informationen zum Selbstkontrollkonzept der W3/E4 sind im Nussbaum Dokument «Themenwelt Trinkwasserhygiene» zu finden, 👉 Themenwelt 299.1.006.

6.9.1 Amtliche Kontrollen

Die Vollzugsorgane der amtlichen Lebensmittelkontrolle sind befugt, in Liegenschaften mit Mietwohnungen und öffentlichen Gebäuden Enthärtungsanlagen und die dazugehörige Dokumentation zu kontrollieren. Sie können, wenn nötig, Änderungen oder Ergänzungen zu solchen Anlagen verlangen.