Das Trinkwasser in den USA und anderen Industriestaaten wird behandelt, um mineralische und organische Fremdstoffe zu entfernen. Verunreinigungen können in fast jeder Wasserquelle auftreten und werden bei der Wasserversorgung aus den Bergen, Flüssen und dem Grundwasser beobachtet; zusätzlich haben Haushalts- und Industrieabwässer noch ein weitaus größeres Kontaminationspotenzial.
Kryptosporidien und Giardien sind Beispiele für mikroskopisch kleine Parasiten, die hauptsächlich im Oberflächenwasser vorkommen. Diese Parasiten verursachen Magen-Darm-Erkrankungen und waren für große Epidemien verantwortlich. Ein Beispiel dafür ist die Epidemie von 1993 in Milwaukee (Wisconsin, USA), bei der 400.000 Menschen erkrankten. Oberflächenwasser ist besonders gefährdet, aber auch von schlecht konstruierten oder seichten Brunnen geht ein Risiko aus.
Um derartige Parasiten zu entfernen oder zu deaktivieren, ist die Verbesserung der Koagulationsfähigkeit des Wassers in Wasserbehandlungseinrichtungen nötig. Verunreinigungen im Abwasser sind hauptsächlich anionisch bzw. negativ geladen. Um diese anionischen (negativ geladenen) Verunreinigungen zu neutralisieren, wurden kationische (positiv geladene) Additive entwickelt. Durch den Einsatz optimaler Mengen kationischer Additive, die bewirken, dass dieses System eine neutrale Ladung erreicht, ist es möglich, die Wirksamkeit der Entfernung von Verunreinigungen mittels Sedimentation oder Filtration zu verbessern. Messungen des Zetapotenzials stellen ein Werkzeug dar, mit dem die optimale Konzentration der entgegengesetzt geladenen Additive ermittelt werden kann, die benötigt wird, um die Koagulation der Verunreinigungen in einer Wasserversorgung zu verbessern.
Mithilfe von Zetapotenzialmessungen kann zudem die Menge des Koagulans überwacht werden, die für die Reinigung der Wasserversorgung benötigt wird. Das Zetapotenzial ist eine hilfreiche Kenngröße für die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den Partikeln. Bei einem Zetapotenzial von 0 V sind die Verunreinigungen im Wasser instabil, d. h., es liegen optimale Bedingungen für die Aggregation vor. Das Zetapotenzial stellt eine messbare Größe dar, um optimale Aggregationsbedingungen zu identifizieren.
Anhand des grafischen Auftrags des Zetapotenzials gegen die Koagulansdosierung kann eine Bewertung der Wirksamkeit verschiedener Chemikalien erfolgen (typische Beispiele sind Alaun, Eisen(III)-sulfat usw.) sowie diverser, im Handel erhältlicher kationischer Polymere (diese enthalten in der Regel eine quartäre Ammoniumverbindung als Netzmittel, das die kationische Oberflächenladung trägt). Mithilfe des Zetapotenzials können auch die Koagulansdosierungen regelmäßig angepasst werden, um die Kosten der Chemikalien für die Wasseraufbereitung zu minimieren. Die Geräteserie Zetasizer Nano von Malvern Instruments kann als präzises und genaues Überwachungssystem für Wasseraufbereitungszwecke eingesetzt werden.
Für alle Zetapotenzialmessungen wurden ein Zetasizer Nano und ein MPT-2 Autotitrator von Malvern Instruments eingesetzt. Die Zetapotenzialmessungen wurden in wiederverwendbaren oder in einer Einweg-Kapillarzelle durchgeführt.
Zunächst wird ein Modellversuch für verunreinigtes Wasser betrachtet: Im folgenden Beispiel wurden Bentonit-Ton-Partikel mit dem Wasser vermischt. Bentonit ist ein Aluminiumsilicat-Tonmineral, das bei Dispersion in Wasser negativ geladen ist. Vergleichbar dazu sind natürlich vorkommende Kontaminanten ebenfalls hauptsächlich negativ geladen. Unbehandeltes Wasser mit Bentonit-Ton ist milchig, d. h., es weist eine starke Trübung auf.
Die diese Trübung bewirkenden kleinen Partikel im Wasser setzen sich nicht rasch ab. Bei Wasseraufbereitungsanwendungen gelten geladene Partikel stets als stabile Partikel und sind unerwünscht. Die Zielsetzung lautet daher, die Oberflächenladung der Wasserinhaltsstoffe zu reduzieren, indem die Inhaltsstoffe mit entgegengesetzt geladenen Additiven bis zu dem Punkt behandelt werden, an dem die Ladung der Inhaltsstoffe nahe null bzw. neutral ist. Diese entgegengesetzt geladenen Additive (hier: kationischen Additive) wiederum adsorbieren an der Oberfläche der (anionischen) Tonpartikel. Unter diesen Bedingungen - wenn die Tonpartikel/Additivkomplexe eine geringe oder keine Ladung aufweisen - wirken keine Abstoßungskräfte, die die Stabilität dieser Partikel in Lösung aufrechterhalten. Daher aggregieren die Inhaltsstoffe zu größeren Partikeln, die sich anschließend schwerkraftbedingt rasch absetzen.
Durch Untersuchung des Zusammenhangs der Konzentration der Flockungsmittel-Additivdosierung mit dem Zetapotenzial und der Trübung kann gezeigt werden, dass, wenn das Zetapotenzial des Wassergemischs einen Wert nahe null erreicht, die Trübung des Gemischs ebenfalls minimal ist. Abbildung 1 zeigt, dass bei geringen Dosierungen der Flockungsmittel das Zetapotenzial ca. -16 mV beträgt und eine starke Trübung vorliegt. An dem Punkt, an dem das Zetapotenzial den Wert +2 mV erreicht, liegt ein absolutes Minimum der Trübung vor. Wenn dieser Punkt der Ladung und Trübung überschritten ist, wird durch weitere Zugabe von Flockungsmittel nun die Ladung der Kontaminanten negativ und nimmt im Betrag wieder zu. Daher werden diese Partikel im Wasser wieder stabilisiert. Die in Abbildung 1 gezeigten Ergebnisse belegen, dass für die Zugabe von Flockungsmitteln eine optimale Konzentration vorliegt (10 ppm) und dass die Messung des Zetapotenzials entscheidend für die Kontrolle der Additivkonzentration ist.
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Bei einer vollmaßstäblichen Wasseraufbereitungsanlage werden die Werte der Konzentration des Flockungsmittels (hier: Alaun), des Zetapotenzials und der Trübung überwacht und täglich bei jeder Arbeitsschicht angepasst. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Kontrolldiagramme einer Wasseraufbereitungsanlage, die im Laufe des Jahres 2002 aufgezeichnet wurden.
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Abbildung 2 zeigt das Zetapotenzial gegenüber der Alaunkonzentration in vier Absetzbecken einer städtischen Wasseraufbereitungsanlage (USA). Abbildung 3 zeigt das Zetapotenzial und die Wassertrübung nach Absetzen in einer Linie bzw. einem Becken in derselben Anlage.
Das Ziel dieser US-amerikanischen Anlage ist es, ein Zetapotenzial von etwa 0 V aufrechtzuerhalten, genauer gesagt zwischen +5 und -5 mV. Es ist eine gründliche Durchmischung des Flockungsmittels mit dem einlaufenden Wasser erforderlich. Dementsprechend zeigt Abbildung 2 eine zeitliche Verzögerung zwischen der Alaundosierung und der Verschiebung des Zetapotenzials der gemessenen Wasserproben. Die Anpassung der Alaundosierung für die Wasseraufbereitungsanlage kann jedoch nur durch die Messung und Überwachung des Zetapotenzials auf den Kontrolldiagrammen rationell und optimal bewerkstelligt werden.
Die Zetapotenzialergebnisse sind der entscheidende Faktor für die Überwachung und Aufrechterhaltung der optimalen Bedingungen in dieser Wasseraufbereitungsanlage. Die Zetapotenzialmessungen sind einfach durchführbar und betreiberunabhängig. Die Betreiber dieser Wasseraufbereitungsanlage kommentierten das Zetapotenzial und seine Bedeutung für die Wasserproduktion wie folgt:
1.) Amirtharajah, A., C.R. O’Melia, Water Quality & Treatment, A Handbook of Community Water Supplies; 4th Ed. Ch.6 Coagulation Processes, Destabilization, Mixing and Flocculation, F.W. Pontius, Ed. McGraw Hill, Inc. NY 1990, p269-365.
2.) Stumm, W. and J.J. Morgan, Aquatic Chemistry, 2nd ed., Wiley Interscience, 1981.
3.) Schroeder, E.E., Water and Waste Treatment, McGraw Hill, 1977.
